CN115307866B - 风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，属于空气动力学技术领域。解决的是传统弹性角校准方法存在的方法误差问题、系统误差问题、复合变形弹性角无法准确测量问题、弹性角公式模型简单造成修正精度低问题。包括支杆、天平、高刚度加载装置、目标板、靶座和激光跟踪仪，天平前后端设置高刚度加载装置、支杆，高刚度加载装置前端设置目标板，激光跟踪仪布置在高刚度加载装置前方，靶座分别安装在目标板和高刚度加载装置上。以二次多项式代替现有弹性角修正公式的线性模型，采用单矢量加载方式，实现风洞现场中天平体轴系下的真实弹性角校准，消除传统弹性角校准方法中存在的方法误差和系统误差，有效提高非线性变形的弹性角修正精度。

Description

风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法
技术领域
本发明涉及风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，属于空气动力学技术领域。
背景技术
风洞试验时，天平及支撑系统在气动载荷作用下会产生弹性变形，产生线位移及角位移，其中角位移即为模型-天平-支撑系统的弹性角，包含俯仰弹性角、侧滑弹性角以及滚转弹性角。弹性角的存在导致风洞试验模型的名义姿态角发生改变，当将天平测得的气动力按照名义姿态角转换到气流坐标系上时，会使得模型气动力系数计算产生误差，而此误差在一些条件下可以占到总的气动力系数误差的25%，因此必须进行弹性角修正。
风洞天平弹性角校准可以采用离线校准和在线校准两种方式。为了减少风洞试验占洞时间，一般在地面进行弹性角校准——离线校准，离线校准是将天平及支撑系统安装在地面设备上，采用地轴系不复位校准或体轴系复位校准，采用专门的加载设备，一次一个分量的单元校准弹性角，由于支撑差异，一般不能完全模拟风洞支撑状态，因此通过校准获得的弹性角修正系数存在潜在系统误差。在线校准方法是在风洞现场进行弹性角校准，校准方式与离线校准方法基本一致，在线校准方法真实复现了天平-支撑系统及风洞支架的刚度，弹性角准度得到提高。
当前，国内外风洞试验单位弹性角校准普遍采用单分量地轴系校准方法，建立的是地轴系下的名义载荷与角度变化的关系，而非天平真实载荷和角度变化的关系，每次校准获得一个分量的弹性角修正系数，为了实现单分量精确加载，需要研制专用的加载装置及力传递装置，一般以标准砝码或力发生器如电动缸、液压缸为力源。通常采用代数方法求取弹性角修正系数，以Y分量为例，弹性角修正系数求取公式如下：
Figure 748663DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 441813DEST_PATH_IMAGE002
为弹性角修正系数；
Figure 237730DEST_PATH_IMAGE003
为名义加载载荷，对于砝码加载来说，指的是砝码标称质量；
Figure 990923DEST_PATH_IMAGE004
为初始状态姿态角；
Figure 855979DEST_PATH_IMAGE005
为加载状态姿态角。
通过5组加载获得5个对应分量的弹性角修正系数，最后通过组合形成俯仰弹性角、偏航弹性角以及滚转弹性角三项弹性角修正公式：
Figure 352820DEST_PATH_IMAGE006
式中，Y、Z为对天平各方向加载的名义力分量，Mz、My、Mx为对天平各方向加载的名义力矩分量；
Figure 3244DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 927338DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 545270DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 580222DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 85152DEST_PATH_IMAGE010
为各分量在各角度方向上的弹性角修正系数；
Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量。
公开号为CN108760227A、CN112362293A的发明专利申请均公开了高精度水泡及加速度计测量角度，以砝码标称加载值作为天平载荷，按照上述计算方法最终计算弹性角修正公式，其在测量精度上还有待加强，同时仅限于单分量的弹性角校准，当同时存在俯仰角度及滚转角度复合工况，上述发明专利申请中提供的方法存在的误差是不可忽视的。
综上，当前单分量地轴系校准方法存在如下问题：
1、砝码或力发生器标称载荷与对应变形下的天平实际受载存在差异，即地轴系载荷与体轴系载荷存在差异，进而导致方法误差；
2、采用离线弹性角校准不能真实模拟风洞支撑的刚度，进而导致系统误差；
3、对于非等直支撑如Z-Sting支撑，施加单分量侧向力时天平及支撑的变形为复合变形，当前角度测量手段（无论是采用位移测量再转换获得的角度或是直接使用角度传感器进行角度测量）无法获取真实的弹性角，当前的做法是忽略轴交角影响，因此存在方法误差；
4、当天平-支杆系统存在非线性特征时如接触刚度弱时，上述线性形式的弹性角修正公式模型过于简单，不能真正表征变形关系，进而使得弹性角修正精度降低。
因此，亟需提出风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的是传统弹性角校准方法存在的方法误差问题、系统误差问题、复合变形弹性角无法准确测量问题以及弹性角公式模型简单造成的修正精度低问题，从而实现任意支杆形式弹性角精确校准。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
本发明的技术方案：
风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，包括支杆、天平、高刚度加载装置、目标板、靶座和激光跟踪仪，天平的后端设置有支杆，天平的前端与高刚度加载装置连接，高刚度加载装置的前端设置有目标板，激光跟踪仪布置在高刚度加载装置前方，若干靶座分别安装在目标板和高刚度加载装置上。
优选的：高刚度加载装置为中空结构，天平设置在高刚度加载装置内，天平与高刚度加载装置同轴设置。
优选的：目标板为T型。
优选的：所述靶座共计4个，靶座中心为靶点，靶座的靶点分别定义为P1、P2、P3、P4，P1、P2、P3、P4呈空间分布，即P1、P2、P3、P4不共面。
风洞天平体轴系弹性角在线校准方法，采用风洞天平体轴系弹性角在线校准装置实现，包括以下步骤：
步骤一、在基准状态下使用激光跟踪仪建立坐标系Oxyz，Oxyz坐标轴与高刚度加载装置理论轴系重合；
步骤二、对高刚度加载装置施加单矢量载荷，在载荷的作用下天平、支杆发生弹性变形进而使与天平刚性固接的高刚度加载装置姿态发生变化，使用激光跟踪仪测量靶座中心的靶点P1、P2、P3、P4坐标值并计算出当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度变化量Δα、Δβ、Δγ，此时对应记录天平相对于基准状态的体轴载荷X、Y、Z、Mx、My、Mz；
步骤三、更换不同的加载点以及加载方向，重复步骤二，确保天平各个载荷测量分量都得到有效加载；
步骤四、考虑任意支杆形式，弹性角修正公式的数学模型如下：
Figure 914568DEST_PATH_IMAGE011
（1）
Figure 25656DEST_PATH_IMAGE012
（2）
Figure 864299DEST_PATH_IMAGE013
（3）
式中，X、Y、Z为天平测得的真实体轴系力分量，Mx、My、Mz为天平测得的真实体轴系力矩分量；
Figure 223736DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 489632DEST_PATH_IMAGE007
…
Figure 816577DEST_PATH_IMAGE014
为待定系数；
Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量；
以Δα、Δβ、Δγ为因变量，X、Y、Z、Mx、My、Mz为自变量，带入各组弹性角/体轴载荷数据并联立方程，通过多元拟合方法分别求出弹性角修正模型中的36项待定系数，该方程为超越方程，不相关加载组数应不少于欲求系数数量。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明以真实的天平测值作为载荷变量，通过坐标测量方式确定相对于基准坐标系的姿态角作为弹性角，实现了风洞现场中天平体轴系下的真实弹性角校准，消除了传统弹性角校准方法中存在的方法误差和系统误差。
2、本发明以二次多项式代替现有弹性角修正公式的线性模型，可以更加真实地表征变形行为，有效提高非线性变形的弹性角修正精度；
3、本发明采用单矢量加载方式代替单元加载方式，弹性角校准不受加载载荷矢量变化限制，提高了弹性角校准效率，更加适合风洞现场弹性角校准。
附图说明
图1是风洞天平体轴系弹性角在线校准装置示意图；
图2是风洞天平体轴系弹性角在线校准装置立体图；
图中：1-支杆，2-天平，3-高刚度加载装置，4-目标板，5-靶座，6-激光跟踪仪。
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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式一：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，包括支杆1、天平2、高刚度加载装置3、目标板4、靶座5和激光跟踪仪6，天平2的后端设置有支杆1，天平2的前端与高刚度加载装置3连接，高刚度加载装置3的前端设置有目标板4，激光跟踪仪6布置在高刚度加载装置前方，若干靶座5分别安装在目标板4和高刚度加载装置3上；
高刚度加载装置3为中空结构，天平2设置在高刚度加载装置3内，天平2与高刚度加载装置3同轴设置；
目标板4为T型，其安装在高刚度加载装置3前端；
所述天平2为风洞试验中用于测量空气动力载荷的专用仪器；
所述支杆1为杆状结构，用于将天平2支撑在风洞中；
所述靶座5共计4个，分别安装在目标板4和高刚度加载装置3上，靶座5中心为靶点，靶座5的靶点分别定义为P1、P2、P3、P4，P1、P2、P3、P4呈空间分布，即P1、P2、P3、P4不共面。
所述激光跟踪仪6为现有技术，可以实现坐标测量。
具体实施方式二：结合图1-2说明本实施方式，本实施方式的风洞天平体轴系弹性角在线校准方法，采用基于坐标测量的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置实现，以二次多项式代替现有线性弹性角修正公式模型，可以更加真实地表征变形行为，有效提高非线性变形的弹性角修正精度，包括以下步骤：
步骤一、在基准状态下使用激光跟踪仪6建立坐标系Oxyz，Oxyz坐标轴与高刚度加载装置3理论轴系重合；
步骤二、对高刚度加载装置3施加单矢量载荷，在载荷的作用下天平2、支杆1发生弹性变形进而使与天平2刚性固接的高刚度加载装置3姿态发生变化，使用激光跟踪仪6测量靶座5中心的靶点P1、P2、P3、P4坐标值并计算出当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度变化量Δα、Δβ、Δγ，此时对应记录天平2相对于基准状态的体轴载荷X、Y、Z、Mx、My、Mz；
步骤三、更换不同的加载点以及加载方向，重复步骤二，确保天平2各个载荷测量分量都得到有效加载；
步骤四、考虑任意支杆形式，弹性角修正公式的数学模型如下：
Figure 193332DEST_PATH_IMAGE015
（1）
Figure 672855DEST_PATH_IMAGE016
（2）
Figure 109652DEST_PATH_IMAGE017
（3）
式中，X、Y、Z为天平测得的真实体轴系力分量，Mx、My、Mz为天平测得的真实体轴系力矩分量；
Figure 923893DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 901077DEST_PATH_IMAGE007
…
Figure 500685DEST_PATH_IMAGE014
为待定系数；
Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量；
以Δα、Δβ、Δγ为因变量，X、Y、Z、Mx、My、Mz为自变量，带入各组弹性角/体轴载荷数据并联立方程，通过多元拟合方法分别求出弹性角修正模型中的36项待定系数，该方程为超越方程，不相关加载组数应不少于欲求系数数量。
实施例1：常规杆式天平+直支杆弹性角
Figure 108384DEST_PATH_IMAGE018
弹性角校准；
下面以
Figure 895074DEST_PATH_IMAGE019
弹性角校准为例，举例说明杆式天平+直支杆弹性角校准步骤：
步骤一、在基准状态下使用激光跟踪仪建立坐标系Oxyz，Oxyz坐标轴与高刚度加载装置3理论轴系重合。
步骤二、对高精度加载装置3施加纵向单矢量载荷（仅产生α），在载荷的作用下天平2、支杆1发生弹性变形进而使与天平2刚性固接的高刚度加载装置3姿态发生变化，使用激光跟踪仪6测量P1、P2、P3、P4靶点坐标值并计算出当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度变化量Δα、Δβ、Δγ，当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度为弹性角，此时对应记录天平2相对于基准状态的体轴载荷X、Y、Z、Mx、My、Mz。
步骤三、沿着高刚度加载装置3轴线方向更换不同的加载点加载其它纵向载荷，重复步骤二，总计18组：
序列 α（°） β（°） γ（°） X（N） Y（N） Z（N） Mx（Nm） My（Nm） Mz（Nm）
1 -0.046 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
2 -0.194 0.00 0.00 -4.83 -786.35 0.76 -0.57 -0.20 -241.40
3 -0.342 0.00 0.00 -13.60 -1569.71 0.87 -0.99 -0.25 -481.43
4 -0.489 0.00 0.00 -27.65 -2355.33 2.34 -1.72 -0.69 -720.79
5 -0.636 0.00 0.00 -41.90 -3136.01 2.74 -2.25 -0.87 -959.09
6 -0.489 0.00 0.00 -26.43 -2354.24 2.12 -1.73 -0.62 -720.84
7 -0.342 0.00 0.00 -13.63 -1569.43 1.61 -1.08 -0.44 -481.15
8 -0.195 0.00 0.00 -4.22 -786.16 1.01 -0.60 -0.25 -241.31
9 -0.046 0.00 0.00 -0.24 0.54 0.20 0.00 0.00 0.05
10 -0.045 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
11 -0.153 0.00 0.00 -2.47 -786.17 0.16 1.22 0.01 -124.10
12 -0.261 0.00 0.00 -10.33 -1569.54 1.91 1.96 -0.25 -245.97
13 -0.37 0.00 0.00 -19.65 -2354.26 2.40 2.87 -0.28 -367.98
14 -0.475 0.00 0.00 -32.89 -3135.95 3.75 3.62 -0.45 -489.32
15 -0.368 0.00 0.00 -19.90 -2354.30 2.57 2.97 -0.29 -368.58
16 -0.261 0.00 0.00 -10.48 -1569.54 1.65 2.24 -0.17 -246.47
17 -0.153 0.00 0.00 -3.26 -786.54 0.42 1.17 -0.01 -124.20
18 -0.044 0.00 0.00 -0.11 -0.71 -0.14 0.03 -0.02 0.00
步骤四、对上面数据进行多元拟合可以获得弹性角公式，最终弹性角修正公式如下：
Figure 128479DEST_PATH_IMAGE020
；
说明：上述公式中去掉了截距项，同时忽略一次项系数小于10-7项及二次项系数小于10-12项。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.风洞天平体轴系弹性角在线校准方法，其特征在于：采用风洞天平体轴系弹性角在线校准装置实现，风洞天平体轴系弹性角在线校准装置包括支杆(1)、天平(2)、高刚度加载装置(3)、目标板(4)、靶座(5)和激光跟踪仪(6)，天平(2)的后端设置有支杆(1)，天平(2)的前端与高刚度加载装置(3)连接，高刚度加载装置(3)的前端设置有目标板(4)，激光跟踪仪(6)布置在高刚度加载装置前方，若干靶座(5)分别安装在目标板(4)和高刚度加载装置(3)上；
高刚度加载装置(3)为中空结构，天平(2)设置在高刚度加载装置(3)内，天平(2)与高刚度加载装置(3)同轴设置；
目标板(4)为T型；
所述靶座(5)共计4个，靶座(5)中心为靶点，靶座(5)的靶点分别定义为P1、P2、P3、P4，P1、P2、P3、P4呈空间分布，即P1、P2、P3、P4不共面；
校准方法包括以下步骤：
步骤一、在基准状态下使用激光跟踪仪(6)建立坐标系Oxyz，Oxyz坐标轴与高刚度加载装置(3)理论轴系重合；
步骤二、对高刚度加载装置(3)施加单矢量载荷，在载荷的作用下天平(2)、支杆(1)发生弹性变形进而使与天平(2)刚性固接的高刚度加载装置(3)姿态发生变化，使用激光跟踪仪(6)测量靶座(5)中心的靶点P1、P2、P3、P4坐标值并计算出当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度变化量Δα、Δβ、Δγ，此时对应记录天平(2)相对于基准状态的体轴载荷X、Y、Z、Mx、My、Mz；
步骤三、更换不同的加载点以及加载方向，重复步骤二，确保天平(2)各个载荷测量分量都得到有效加载；
步骤四、考虑任意支杆形式，弹性角修正公式的数学模型如下：
Figure FDA0003948208000000011
Figure FDA0003948208000000012
Figure FDA0003948208000000013
式中，X、Y、Z为天平测得的真实体轴系力分量，Mx、My、Mz为天平测得的真实体轴系力矩分量；
Figure FDA0003948208000000021
为待定系数；
Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量；
以Δα、Δβ、Δγ为因变量，X、Y、Z、Mx、My、Mz为自变量，带入各组弹性角/体轴载荷数据并联立方程，通过多元拟合方法分别求出弹性角修正模型中的36项待定系数，该方程为超越方程，不相关加载组数应不少于欲求系数数量。
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