CN115144151A - 一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法 - Google Patents

一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法 Download PDF

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Abstract

一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法，属于航空航天气动力试验测量设备领域，本发明为了解决杆式铰链力矩天平在测量载荷不匹配工况设计时，较小载荷分量设计灵敏度不够的问题。包括由上至下依次相连的测量舵、天平元件和天平固定部，天平元件包括由上至下依次相连的第一连接座、第一分割槽部、弯矩测量梁、竖梁部、消扰薄片横梁、第二分割槽部和第二连接座，竖梁部包括铰链力矩测量竖梁和消扰薄片竖梁，两个铰链力矩测量竖梁分别设置在左右两端，两个消扰薄片竖梁分别设置在前后两端。利用薄弹性梁在需要承担自身测量载荷时刚度大、在其他不同分量的载荷作用下时柔度大的特性，实现大载荷力与小载荷力在测量上的更好分解。

Description

一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法
技术领域
本发明属于航空航天气动力试验测量设备领域，尤其涉及一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法。
背景技术
风洞天平用于风洞试验中测量作用在飞行器上的气动力载荷，按工作原理可以分为机械天平、光纤天平、压电天平等。目前常用是应变天平，采用应变电测原理，在天平元件上粘贴应变片并组成电桥，将天平元件受载变形的应变转化为电信号进行测量。预先标定载荷与电信号的映射关系，根据映射关系，通过测量到的电信号即可计算出飞行器的气动载荷。
杆式铰链力矩天平是应变天平的一种，主要用于测量飞行器模型翼面的气动力载荷，一端连接测量舵，另一端连接在模型的翼面上。由于模型空间的限制，该种力矩天平的天平元件多为柱梁结构，根据测量载荷的情况来确定柱梁的位置及截面尺寸，最终在天平元件上实现三个分量的载荷测量。此种力矩天平的弊端是当测量载荷不匹配工况设计时，较小载荷分量设计灵敏度不够，很难得到调整，尤其对于载荷作用在测量舵舵面几何中心附近的铰链力矩天平来说，气动力载荷距离天平元件较远，天平需要测量的弯矩为测量舵舵面的弯矩与舵面法向力带来的弯矩总和，因此铰链力矩天平需要测量的弯矩载荷值较大，测量弯矩的天平元件就需要设计的截面积足够大，因其还需要承担其他分量的力，致使其他分量较小载荷分量设计灵敏度不够。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平及测量方法，以解决杆式铰链力矩天平在测量载荷不匹配工况设计时，较小载荷分量设计灵敏度不够的问题。本发明所采用的技术方案如下：
一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平，包括由上至下依次相连的测量舵、天平元件和天平固定部，天平元件为具有多处缺失部分的圆柱体，天平元件包括由上至下依次相连的第一连接座、第一分割槽部、弯矩测量梁、竖梁部、消扰薄片横梁、第二分割槽部和第二连接座，设定测量舵的舵面沿前后设置，第一分割槽部的前后两侧分别设有沿左右贯通的分割槽，第二分割槽部的左右两侧分别设有沿前后贯通的分割槽，所述竖梁部由两个铰链力矩测量竖梁和两个消扰薄片竖梁构成，两个铰链力矩测量竖梁分别设置在左右两端，两个消扰薄片竖梁分别设置在前后两端，消扰薄片竖梁的厚度方向沿左右设置，沿两个铰链力矩测量竖梁的内侧壁向下，在消扰薄片横梁上分别开设两个分割孔，沿两个消扰薄片竖梁的内侧壁向上，在弯矩测量梁上分别开设两个分割孔，第一连接座与测量舵相连，第二连接座与天平固定部相连。
进一步的，天平固定部呈圆柱形，天平固定部的周面上设有水平贯通的安装槽。
进一步的，测量舵、天平元件和天平固定部为整体结构。
本发明还提供了一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平测量方法，采用上述的一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平完成，包括如下步骤：
步骤1：在弯矩测量梁的前后两端各粘贴两个应变片并组成电桥，定义该电桥为U1，在左侧铰链力矩测量竖梁底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片并组成电桥，定义该电桥为U2，在右侧铰链力矩测量竖梁底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片并组成电桥，定义该电桥为U3；
步骤2：对铰链力矩天平进行校准标定；
步骤3：将所述杆式铰链力矩天平安装于飞行器模型翼面上，测量天平元件变形转化的电信号；
步骤4：飞行器模型翼面的舵面弯矩、舵面法向力和舵面铰链力矩通过下式确定：
M=FM(△U1)
N=FN(△U2+△U3)
Mj=FMj(△U2-△U3)
式中：M为舵面弯矩；
N 为舵面法向力；
Mj为舵面铰链力矩；
FM为舵面弯矩计算公式；
FN为舵面法向力计算公式；
FMj为舵面铰链力矩计算公式；
△U1为U1桥路输出的变化量；
△U2为U2桥路输出的变化量；
△U3为U3桥路输出的变化量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
利用薄弹性梁的在需要承担自身测量载荷时刚度大，在其他不同分量的载荷作用下时柔度大的特性，实现大载荷力与小载荷力在测量上的更好分解，即每分量的测量载荷尽可能的都让其自身的测量结构承担，相对其他分量的力具有较大的柔度。本申请中测量舵面弯矩的弯矩测量梁沿舵面法线方向前后布置，承担近乎全部的舵面弯矩，同时消扰薄片竖梁对于滚转具有较大的柔度，基本不承担滚转载荷。两个铰链力矩测量竖梁沿舵面法线方向左右布置，承担并测量舵面法向力和铰链力矩（即天平滚转力矩）载荷，其下端的消扰薄片横梁传递舵面法向力及滚转力矩时具有较大的刚度，同时对于载荷量较大的舵面弯矩载荷具有良好的消扰作用。
附图说明
图1是本发明的轴测图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的左视图；
图4是图2的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图；
图6是图3的C-C剖视图；
图7是本发明主视方向的应变片布置图；
图8是本发明后视方向的应变片布置图；
图9是U1电气桥路图；
图10是U2电气桥路图；
图11是U3电气桥路图。
图中：1-测量舵、2-天平元件、21-第一连接座、22-第一分割槽部、23-弯矩测量梁、24-铰链力矩测量竖梁、25-消扰薄片竖梁、26-消扰薄片横梁、27-第二分割槽部、28-第二连接座、29-分割孔、3-天平固定部、31-安装槽、4-应变片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：如图1-5所示，一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平，包括由上至下依次相连的测量舵1、天平元件2和天平固定部3，天平元件2为具有多处缺失部分的圆柱体，天平元件2包括由上至下依次相连的第一连接座21、第一分割槽部22、弯矩测量梁23、竖梁部、消扰薄片横梁26、第二分割槽部27和第二连接座28，设定测量舵1的舵面沿前后设置，第一分割槽部22的前后两侧分别设有沿左右贯通的分割槽，第二分割槽部27的左右两侧分别设有沿前后贯通的分割槽，所述竖梁部由两个铰链力矩测量竖梁24和两个消扰薄片竖梁25构成，两个铰链力矩测量竖梁24分别设置在左右两端，两个消扰薄片竖梁25分别设置在前后两端，消扰薄片竖梁25的厚度方向沿左右设置，沿两个铰链力矩测量竖梁24的内侧壁向下，在消扰薄片横梁26上分别开设两个分割孔29，沿两个消扰薄片竖梁25的内侧壁向上，在弯矩测量梁23上分别开设两个分割孔29，第一连接座21与测量舵1相连，第二连接座28与天平固定部3相连。
天平固定部3呈圆柱形，天平固定部3的周面上设有水平贯通的安装槽31。
测量舵1、天平元件2和天平固定部3为整体结构。这样有利于减少连接应力对铰链力矩天平的影响。
弯矩测量梁23为圆柱体，主要起作用的是前后两端，即第一分割槽部22的两个分割槽对应的部分，弯矩测量梁23是舵面弯矩载荷的应变测量梁，根据舵面弯矩的载荷情况设计其结构尺寸，计算其在舵面弯矩作用下的应变输出，设计应变一般在150με~700με之间即可，在弯矩测量梁23和两个消扰薄片竖梁25相连之处粘贴应变片4。
两个消扰薄片竖梁25分别与弯矩测量梁的前后两端相连，厚度需设计的较薄，保证其受载后不发生损坏即可，传递弯矩载荷的同时，对于其滚转力矩具有较大的柔度。
铰链力矩测量竖梁24按舵面法向力载荷和铰链力矩的载荷进行匹配设计其结构尺寸，计算其在舵面法向力和铰链力矩（即天平滚转力矩）作用下的应变输出，设计应变一般在150με~700με之间即可，在其底端粘贴应变片4，用于测量舵面法向力载荷和铰链力矩。
消扰薄片横梁26为圆形薄片，主要起作用的是左右两端，即第二分割槽部27的两个分割槽对应的部分，消扰薄片横梁26为消扰梁，厚度同样需设计的较薄，保证其受载后不发生损坏即可，传递舵面法向力及滚转力矩载荷的同时消除舵面弯矩对舵面法向力和铰链力矩测量的干扰。
利用薄弹性梁的在需要承担自身测量载荷时刚度大，在其他不同分量的载荷作用下时柔度大的特性，实现大载荷力与小载荷力在测量上的更好分解，即每分量的测量载荷尽可能的都让其自身的测量结构承担，相对其他分量的力具有较大的柔度。本方案中测量舵面弯矩的弯矩测量梁23沿舵面法线方向前后布置，承担近乎全部的舵面弯矩，同时消扰薄片竖梁25对于滚转具有较大的柔度，基本不承担滚转载荷。两个铰链力矩测量竖梁24沿舵面法线方向左右布置，承担并测量舵面法向力和铰链力矩（即天平滚转力矩）载荷，其下端的消扰薄片横梁26传递舵面法向力及滚转力矩时具有较大的刚度，同时对于载荷量较大的舵面弯矩载荷具有良好的消扰作用。
实施例2：如图6-11所示，本发明还提供了一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平测量方法，采用了上述一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平完成，包括如下步骤：
步骤1：在弯矩测量梁23的前后两端各粘贴两个应变片4并组成电桥，定义该电桥为U1，在左侧铰链力矩测量竖梁24底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片4并组成电桥，定义该电桥为U2，在右侧铰链力矩测量竖梁24底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片4并组成电桥，定义该电桥为U3；
步骤2：对铰链力矩天平进行校准标定；
步骤3：将所述杆式铰链力矩天平安装于飞行器模型翼面上，测量天平元件2变形转化的电信号；
步骤4：飞行器模型翼面的舵面弯矩、舵面法向力和舵面铰链力矩通过下式确定：
M=FM(△U1)
N=FN(△U2+△U3)
Mj=FMj(△U2-△U3)
式中：M为舵面弯矩；
N 为舵面法向力；
Mj为舵面铰链力矩；
FM为舵面弯矩计算公式；
FN为舵面法向力计算公式；
FMj为舵面铰链力矩计算公式；
△U1为U1桥路输出的变化量；
△U2为U2桥路输出的变化量；
△U3为U3桥路输出的变化量。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平，包括由上至下依次相连的测量舵（1）、天平元件（2）和天平固定部（3），其特征在于：天平元件（2）为具有多处缺失部分的圆柱体，天平元件（2）包括由上至下依次相连的第一连接座（21）、第一分割槽部（22）、弯矩测量梁（23）、竖梁部、消扰薄片横梁（26）、第二分割槽部（27）和第二连接座（28），设定测量舵（1）的舵面沿前后设置，第一分割槽部（22）的前后两侧分别设有沿左右贯通的分割槽，第二分割槽部（27）的左右两侧分别设有沿前后贯通的分割槽，所述竖梁部由两个铰链力矩测量竖梁（24）和两个消扰薄片竖梁（25）构成，两个铰链力矩测量竖梁（24）分别设置在左右两端，两个消扰薄片竖梁（25）分别设置在前后两端，消扰薄片竖梁（25）的厚度方向沿左右设置，沿两个铰链力矩测量竖梁（24）的内侧壁向下，在消扰薄片横梁（26）上分别开设两个分割孔（29），沿两个消扰薄片竖梁（25）的内侧壁向上，在弯矩测量梁（23）上分别开设两个分割孔（29），第一连接座（21）与测量舵（1）相连，第二连接座（28）与天平固定部（3）相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平，其特征在于：天平固定部（3）呈圆柱形，天平固定部（3）的周面上设有水平贯通的安装槽（31）。
3.根据权利要求2所述的一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平，其特征在于：测量舵（1）、天平元件（2）和天平固定部（3）为整体结构。
4.一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平测量方法，采用权利要求1-3任一项所述的一种用于小滚转力矩测量的杆式铰链力矩天平完成，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在弯矩测量梁（23）的前后两端各粘贴两个应变片（4）并组成电桥，定义该电桥为U1，在左侧铰链力矩测量竖梁（24）底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片（4）并组成电桥，定义该电桥为U2，在右侧铰链力矩测量竖梁（24）底部的前后两侧壁上各粘贴两个应变片（4）并组成电桥，定义该电桥为U3；
步骤2：对铰链力矩天平进行校准标定；
步骤3：将所述杆式铰链力矩天平安装于飞行器模型翼面上，测量天平元件（2）变形转化的电信号；
步骤4：飞行器模型翼面的舵面弯矩、舵面法向力和舵面铰链力矩通过下式确定：
M=FM(△U1)
N=FN(△U2+△U3)
Mj=FMj(△U2-△U3)
式中：M为舵面弯矩；
N 为舵面法向力；
Mj为舵面铰链力矩；
FM为舵面弯矩计算公式；
FN为舵面法向力计算公式；
FMj为舵面铰链力矩计算公式；
△U1为U1桥路输出的变化量；
△U2为U2桥路输出的变化量；
△U3为U3桥路输出的变化量。
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