CN115389157A

CN115389157A - 一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置及方法

Info

Publication number: CN115389157A
Application number: CN202210840359.4A
Authority: CN
Inventors: 叶瑞; 孙日明; 陈农; 肖翔; 王惠伦; 姜维
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2022-11-25

Abstract

一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置，解决了风洞天平的阶跃载荷加载问题，属于高速风洞试验领域。装置包括电源、电极、电阻丝、绳、连接件、砝码盘、砝码；被标定的天平水平固定，连接件安装在天平的端部；绳的两端分别连接连接件、砝码盘，使砝码盘竖直悬吊；砝码放置在砝码盘上；电阻丝缠绕在绳上，且与绳紧贴；电源的正负极通过电极后与电阻丝的两端连接，电流通过电阻丝后产生热熔断绳，使得悬吊的砝码盘掉落。本发明采用砝码悬挂方式可以较好的控制加载点水平位置，保证加载点位置一致性；采用熔断方式可以使尼龙绳在毫秒时间内断开，不影响竖直方向的加载载荷；通过加载不同重量的砝码，使得产生阶跃载荷具有较宽的范围。

Description

一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置及方法，属于高速风洞试验领域。

背景技术

在航空航天飞行器空气动力性能研究中，风洞试验是研究飞行器飞行性能的主要研究方法之一。风洞试验一般只采用天平测力系统测量飞行器缩比模型在风洞流场中的气动力。风洞实验时，应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷产生变形，粘贴在天平元件表面应变计同时发生变形，其电阻值变化由测量电路转换成电压增量，该电压增量值与应变天平所承受的气动力载荷值成正比。通过事先由天平校准确定的各分量天平输出量与所测分量之间的关系（天平校准公式），得到所测的气动力和力矩分量。

很多风洞试验需要测量动态力，例如，在火箭头罩分离试验过程中，需要测量火箭本体的气动力；激波风洞的测力试验，需要在十几毫秒时间内测量飞行器模型的气动力。若不了解测力系统（包含天平、信号放大器、信号采集器）的动态性能，测量结果不仅可能有很大的误差，甚至会出现完全错误的结果。要了解测力系统准确的动态性能指标，需要对测力系统进行动态标定和校准。

目前对于风洞天平的动态校准，主要有以下途径：一、采用力锤对天平进行敲击，力锤显示实时敲击力的大小。由于是人工敲击，敲击力的大小散布较大，且敲击点的位置无法集中于一点，导致动态校准重复性较差。二、采用砝码悬挂法，剪断钢丝绳形成阶跃载荷，但是手动剪断对竖直载荷有一定的干扰，同时很难保证瞬时效果和稳定性。三、采用电磁加载或者气缸冲击来实现阶跃载荷，设备昂贵使得试验成本很高。四、采用负阶跃力发生器，利用脆性材料传递静态载荷，采用脆性材料瞬时断裂对载荷进行卸载，产生阶跃载荷。但这种方法需要加工合适工装进行辅助加载，且其阶跃载荷值取决于脆性材料的特性，断裂过程的具有一定的随机性，影响试验的重复性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了风洞天平的阶跃载荷加载问题，且满足加载点和加载载荷的高重复性要求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置，包括电源、电极、电阻丝、绳、连接件、砝码盘、砝码；

被标定的天平水平固定，连接件安装在天平的端部；

绳的两端分别连接连接件、砝码盘，使砝码盘竖直悬吊；

砝码放置在砝码盘上；

电阻丝缠绕在绳上，且与绳紧贴；

电源的正负极通过电极后与电阻丝的两端连接，电流通过电阻丝后产生热熔断绳，使得悬吊的砝码盘掉落。

优选的，所述电流通过电阻丝后，熔断绳的时间不超过10ms。

优选的，所述电阻丝的线径不大于0.6mm，每米电阻值不小于1.7欧姆。

优选的，所述绳采用尼龙绳，且尼龙绳的线径不大于0.65mm，承受的最大值拉力不小于100kg。

优选的，所述电阻丝在绳上至少缠绕3圈，且为螺旋状，螺距与电阻丝的线径之差不大于0.5mm。

优选的，所述电源采用直流电源，输出功率不小于3KW，最大输出电流为80A。

优选的，还包括绝缘柱，电极安装在绝缘柱上。

优选的，所述砝码盘采用金属材料制成，金属材料的密度不大于2.9g/cm³。

一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定方法，采用上述的风洞天平动态标定装置，包括：

设置电源的输出参数；打开电源开关；

电阻丝在电流的作用下发热，将绳熔断；

天平从承受砝码载荷到无载荷，即对天平产生一个负的阶跃载荷，获取天平在负的阶跃载荷下的动态响应。

优选的，保持绳在连接件上的系点与天平端部的距离不变，确定砝码的重量，重复多次，获取天平在负的阶跃载荷下的动态响应，完成标定。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

（1）本发明采用砝码悬挂方式可以较好的控制加载点水平位置，保证加载点水平位置一致性；

（2）本发明采用砝码悬挂方式可以较好的控制加载点竖直位置，保证加载点竖直位置一致性；

（3）本发明采用熔断方式可以使尼龙绳在毫秒时间内断开，不影响竖直方向的加载载荷；

（4）本发明加载不同重量的砝码，使得产生阶跃载荷具有较宽的范围；

（5）本发明加载标准砝码保证加载载荷的准确性和高重复性，通过多次加载进行平均，可以准确获得施加阶跃载荷和天平响应超调量之间比例关系；天平测量动态值时，通过这种比例关系可以计算动态载荷大小。

附图说明

图1为本发明产生阶跃载荷风洞天平动态标定装置示意图。

图2为本发明的螺钉示意图。

图3为天平受到阶跃载荷作用下的动态响应曲线图。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种产生阶跃载荷动态标定装置，用于风洞天平的动态标定。它包括大功率直流电源1、电线2、电极3、绝缘柱4、康铜丝5、尼龙绳6、螺钉7（如图2所示）、砝码盘10、砝码11，如图1所示。将支杆9尾部插入支架并固定，将天平8尾锥插入外部的支杆前端倒锥孔中，采用楔子拉紧固定。在天平8前端面螺钉孔中插入螺钉拧紧，采用尼龙绳6穿过砝码盘10头部的小孔并打结固定，将尼龙绳6另一端系在螺钉7杆上。在砝码盘10放置需要加载的载荷砝码11。将大功率直流电源1输出端、电线2、电极3和康铜丝5串联起来组成一个完整的闭环电路，同时将大功率直流电源1输入端接入220V交流电。康铜丝5在尼龙绳6上绕3圈并贴紧尼龙绳6。打开大功率直流电源1的开关，康铜丝5在大电流的作用下迅速发热，毫秒时间内迅速升至很高温度，将尼龙绳6熔断。天平9从开始承受砝码11载荷到短时间内承受无载荷，对天平8产生一个阶跃载荷，天平8在阶跃载荷响应下会产生一个动态的响应过程。

尼龙绳6的线径不大于0.65mm，承受的拉力最大值不小于100kg。

康铜丝5的线径不大于0.6mm，每米电阻值不小于1.7欧。

大功率直流电源1输出功率不小于3KW，输出电流范围0～80A。

砝码盘10采用金属材料加工制作，金属材料的密度不大于2.9g/cm³。

实施例2：

一种产生阶跃载荷动态标定装置及方法，用于风洞天平的动态标定，标定装置包括大功率直流电源1、电线2、电极3、绝缘柱4、康铜丝5、尼龙绳6、螺钉7、砝码盘10、砝码11，如图1所示。

将支杆9尾部插入支架并固定，将天平8尾锥插入支杆9前端倒锥孔中，采用楔子拉紧固定。在天平9前端面螺钉孔中插入螺钉7，拧紧螺钉7直至天平9螺钉孔一侧的端面与螺钉7左侧限位端面紧贴，螺钉7的螺杆中间有光环圆弧型槽，槽中心线距离螺钉左侧限位端面的距离为L，槽宽H是尼龙绳6直径的1.2倍。

采用尼龙绳6穿过砝码盘10头部的小孔并打结固定，将尼龙绳6另一端放置在螺钉7上螺杆的弧型槽内，绕着螺杆7打结系紧。尼龙绳6的线径不大于0.65mm，承受的拉力最大值不小于100kg。尼龙绳6的线径越小，在高温条件下越容易熔断，同时尼龙绳6承受的拉力越大，使得产生的阶跃载荷具有较宽的范围。

在砝码盘10放置需要加载的载荷砝码11重量G。砝码盘10采用金属密度较小的材料加工制作，金属材料的密度不大于2.9g/cm³。使得砝码盘10的整个重量较轻，使得加载前的天平零值较小。

将大功率直流电源1输出端、电线2、电极3和康铜丝5串联起来组成一个完整的闭环电路，同时将大功率直流电源1输入端接入220V交流电。为了用电安全，两个电极3位于绝缘柱4上。在竖直向下的尼龙绳6上选取位置点，其距离螺钉7螺杆的竖直方向距离为30cm，采用高度尺测量保证。以此位置点作为康铜丝5缠绕起点，

康铜丝5在尼龙绳6上绕3圈，康铜丝5贴紧尼龙绳6。螺旋状线圈的内径大小与尼龙绳6绳径相当，螺旋状线圈的螺距与电阻丝的线径之差不大于0.5mm。康铜丝5的线径不大于0.6mm，每米电阻值不小于1.7欧。康铜丝5的线径越小，其电阻值越大，在电流作用下升温也越快。

设置大功率直流电源1输出参数：输出电压36V，输出电流80A。输出较大功率也可以使康铜丝5短时间升温更快。打开大功率直流电源1的开关，康铜丝5在大电流的作用下迅速发热，毫秒时间内迅速升至很高温度，将尼龙绳6熔断。天平8从开始承受砝码11载荷G到短时间内承受无载荷，对天平8产生一个负的阶跃载荷，天平8在负的阶跃载荷响应下会产生一个动态的响应过程，天平受到阶跃载荷作用下的动态响应曲线如图3所示。

尼龙绳6系点距离天平8前端面距离为L，加载砝码11重量为G，重复上述操作进行动态加载N（一般N=9）次。获得每次的阶跃载荷作用下的天平动态响应曲线，记录每次超调量

，并对动态响应曲线进行FFT分析（快速傅里叶变换），获得动态响应频率

，对N次的

按照从小到大进行排列，剔除最大值和最小值。将剩余曲线结果进行重新编号（即i=1……N-2，），并按照以下公式计算：

超调量平均值：

动态响应频率平均值：

动态响应频率均方根差：

动态重复性：

本实施例中，天平动态标定的动态重复性在1%～2%，判定天平的动态重复性良好。

实施例3：

一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定方法，采用实施例1或2的风洞天平动态标定装置，包括：

设置电源的输出参数；打开电源开关；

电阻丝在电流的作用下发热，将绳熔断；

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定装置，其特征在于，包括电源、电极、电阻丝、绳、连接件、砝码盘、砝码；

被标定的天平水平固定，连接件安装在天平的端部；

绳的两端分别连接连接件、砝码盘，使砝码盘竖直悬吊；

砝码放置在砝码盘上；

电阻丝缠绕在绳上，且与绳紧贴；

2.根据权利要求1所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述电流通过电阻丝后，熔断绳的时间不超过10ms。

3.根据权利要求2所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述电阻丝的线径不大于0.6mm，每米电阻值不小于1.7欧姆。

4.根据权利要求2所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述绳采用尼龙绳，且尼龙绳的线径不大于0.65mm，承受的最大值拉力不小于100kg。

5.根据权利要求2所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述电阻丝在绳上至少缠绕3圈，且为螺旋状，螺距与电阻丝的线径之差不大于0.5mm。

6.根据权利要求1所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述电源采用直流电源，输出功率不小于3KW，最大输出电流为80A。

7.根据权利要求1所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，还包括绝缘柱，电极安装在绝缘柱上。

8.根据权利要求1所述的风洞天平动态标定装置，其特征在于，所述砝码盘采用金属材料制成，金属材料的密度不大于2.9g/cm³。

9.一种产生阶跃载荷的风洞天平动态标定方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的风洞天平动态标定装置，包括：

设置电源的输出参数；打开电源开关；

电阻丝在电流的作用下发热，将绳熔断；

10.根据权利要求9所述的风洞天平动态标定方法，其特征在于，保持绳在连接件上的系点与天平端部的距离不变，确定砝码的重量，重复多次，获取天平在负的阶跃载荷下的动态响应，完成标定。