CN116222956A

CN116222956A - 脉冲风洞大型串联式重载测力天平及工作方法

Info

Publication number: CN116222956A
Application number: CN202310488233.XA
Authority: CN
Inventors: 吕金洲; 王琪; 贺佳佳; 张小庆; 林其; 武龙; 于时恩; 丁智坚; 刘建霞; 吴颖川
Original assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Institute of Aerospace Technology of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2023-05-04
Filing date: 2023-05-04
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-05-04
Also published as: CN116222956B

Abstract

本发明提出了一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平及工作方法，用于测量试验模型在风洞运行过程中产生的气动力载荷，包括：测力天平，测力天平包括至少3个测力天平子系统：测力天平子系统a、测力天平子系统b、测力天平子系统c，测力天平通过各测力天平子系统的浮动框连接试验模型，各测力天平子系统分别测量试验模型施加到各子系统浮动框上的气动力载荷，相邻的测力天平子系统之间设有子系统连接件，通过子系统连接件将各测力天平子系统依次串联起来。本发明解决了大尺寸、重载模型脉冲燃烧风洞测力难题，有力的支撑了试验模型机体推进一体化气动性能评估工作，为下一代更大口径的脉冲燃烧风洞试验技术奠定了基础。

Description

脉冲风洞大型串联式重载测力天平及工作方法

技术领域

本发明属于脉冲风洞试验技术领域，尤其是一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平及工作方法。

背景技术

脉冲风洞具备开展大尺度、重模型试验的能力，这种风洞有效冲击载荷大，有效试验时间短，约300ms，短时模型测力技术是试验过程中的关键技术。现有试验模型尺度一般采用单台应变天平进行模型气动力载荷测量。脉冲风洞试验模型则一般较重，可达1t，为了提高测力系统的响应频率，多采用背部或者腹部支撑方案，该方案可以保证天平具有较高刚度，减小模型支撑机构悬臂长度，提高测力系统响应频率。

脉冲风洞测力系统主要由试验模型、测力天平、支架3部分组成，在以往测力系统的设计中，各部分可以解耦，分别进行设计，测力天平一般为简支梁形式，不存在过约束情况，可以单独进行校准，获得天平公式，然后将校准后的天平公式应用于风洞试验输出信号，即可获得模型在试验过程中的气动力载荷。

随着脉冲风洞试验技术的发展，模型尺度变得更大，风洞试验测力难度也随之变得更大。本发明中所谓的重型试验模型尺度较大，质量可达数吨，传统的单天平测力方法已面临诸多不足，为了解决更大尺度脉冲风洞模型测力难题，本发明提出了一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平设计方法，下面针对该方法进行详细描述，更大尺度的模型也可参考本方法进行测力系统设计。

发明内容

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平，用于测量试验模型在风洞运行过程中产生的气动力载荷，包括测力天平12，测力天平12包括至少3个测力天平子系统：测力天平子系统a、测力天平子系统b、测力天平子系统c，测力天平通过各子系统浮动框连接试验模型，各测力天平子系统分别测量试验模型施加到各子系统浮动框上的气动力载荷，相邻的测力天平子系统之间设有子系统连接件，通过子系统连接件将测力天平子系统依次串联起来；

每个测力天平子系统包括：与模型支架13固定连接的测力天平固定框8、悬浮于测力天平固定框上方的子系统浮动框，测力天平固定框和子系统浮动框之间无直接刚性连接、且二者在y方向设有间隙；子系统浮动框通过支撑元件9和测量元件10、与测力天平固定框相连，支撑元件9和测量元件10的刚度远小于子系统浮动框和测力天平固定框的刚度；子系统浮动框与试验模型固定连接；

每个测力天平子系统中，支撑元件9分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，测量元件10也分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，测量元件10上设有应变片；

子系统浮动框和试验模型具有在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动的自由度，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向。

作为优选方式，子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动，带动测力天平上的测量元件10和支撑元件9振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。

作为优选方式，试验模型通过螺栓安装在测力天平的子系统浮动框上；

并且/或者测力天平12设置于模型支架框架11内部，且通过螺栓安装在模型支架13上，模型支架13通过螺栓安装于风洞地基上。

作为优选方式，支撑元件9采用I型梁，测量元件10采用I型梁或T梁结构；并且/或者试验模型总长度不超过测力天平12长度的3倍。

作为优选方式，在子天平浮动框和子天平固定框之间设有天平过载保护结构，包括x、y双向限位机构15和x向限位机构14，x、y双向限位机构15具有x方向和y方向的限位段，x向限位机构14具有x方向的限位段。

作为优选方式，在每个测力天平子系统的浮动框和试验模型连接的部位设有多个接触斑16，接触斑16为圆形或方形的凸台结构。

作为优选方式，在测力天平固定框下表面与模型支架13的连接面处设有接触凸台17。

作为优选方式，在子系统浮动框、子系统连接件上设有挖空形成的减重槽18。

作为优选方式，测力天平12的外围设有保护罩，保护罩与测力天平固定框8固定连接，将测量元件10封闭在保护罩中，保护罩不与浮动框接触。

本发明还提供一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平的工作方法，其为：

试验模型为被测量对象，试验的目的为测量试验模型在风洞运行过程中受到的气动阻力和发动机工作时模型产生的正推力，试验模型在风洞运行产生的升力和俯仰力矩；

试验过程中，子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动，带动测力天平上的测量元件10和支撑元件9振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。

因为支撑元件和测量元件相对浮动框和测力天平固定框刚度小很多，所以在浮动框受到冲击载荷振动时，刚度小的元件很容易产生振动，带动浮动框一起产生振动，包含x、y运动和绕z方向的振动。试验开始和过程中子系统浮动框与测力天平固定框均不接触，保持1-2mm的间隙，所有的载荷均是通过测量元件和支撑元件传递。

天平整体校准公式是指天平施加载荷和天平3分量（沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩）输出信号之间的计算关系，用于计算模型在试验过程中产生的气动力载荷。

本发明的有益效果为：本发明解决了大型（尺度8~12m）、重载（质量超过3000kg）模型脉冲燃烧风洞测力难题，有力的支撑了试验模型机体/推进一体化气动性能评估工作，为下一代更大口径的脉冲燃烧风洞试验技术奠定了基础。

附图说明

图1 是本发明的脉冲风洞大型串联式重载测力天平的整体结构示意图。

图2是测力天平与模型支架13的连接示意图。

图3是天平过载保护结构的示意图。

图4是接触斑结构的示意图。

图5是接触凸台结构的示意图。

图6是减重槽的示意图。

图7 是本发明的测力天平测量元件上应变片贴片图。

图8 是X1~X4天平轴向力惠斯通电路图。

图9 是Y1~Y12天平法向力和俯仰力矩惠斯通电路图。

其中，1为第一子系统连接件，3为第二子系统连接件，5为第三子系统连接件，7为第四子系统连接件，2为第一子系统浮动框，4为第二子系统浮动框，6为第三子系统浮动框，8为测力天平固定框，9为支撑元件，10为测量元件，11为模型支架框架，12为测力天平，13为模型支架，14为x向限位机构，15为x、y双向限位机构，16为接触斑，17为接触凸台，18为减重槽。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，本实施例提供了一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平，用于测量试验模型在风洞运行过程中产生的气动力载荷，包括测力天平12，测力天平12包括3个测力天平子系统：测力天平子系统a、测力天平子系统b、测力天平子系统c，测力天平通过各子系统浮动框连接试验模型，各测力天平子系统分别测量试验模型施加到各子系统浮动框上的气动力载荷，相邻的测力天平子系统之间设有子系统连接件，通过子系统连接件依次将测力天平子系统串联起来；测力天平子系统a和测力天平子系统b之间通过第二子系统连接件3连接，测力天平子系统b和测力天平子系统c之间通过第三子系统连接件5连接，测力天平子系统a左侧可通过第一子系统连接件1连接其他的测力天平子系统，测力天平子系统c右侧可通过第四子系统连接件7连接其他的测力天平子系统；

每个测力天平子系统包括：与模型支架13固定连接的测力天平固定框8、悬浮测力天平于固定框上方的子系统浮动框，测力天平子系统a上设有第一子系统浮动框2，测力天平子系统b上设有第二子系统浮动框4，测力天平子系统c上设有第三子系统浮动框6，测力天平固定框和子系统浮动框之间无直接刚性连接、且二者在y方向设有间隙；子系统浮动框通过支撑元件9和测量元件10、与测力天平固定框相连，支撑元件9和测量元件10的刚度远小于子系统浮动框和测力天平固定框的刚度；子系统浮动框与试验模型固定连接；因为支撑元件和测量元件相对测力天平子系统浮动框和测力天平固定框刚度小很多，所以在浮动框受到冲击载荷振动时，试验模型产生振动，带动测力天平浮动框一起产生振动，包含x、y运动和绕z方向的振动。试验开始和过程中子系统浮动框与测力天平固定框均不接触，二者在y方向保持1-2mm的间隙，所有的载荷均是通过测量元件和支撑元件传递。

每个测力天平子系统中，支撑元件9分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，同样的，测量元件10也分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，测量元件10上设有应变片；

子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动，带动测力天平上的测量元件10和支撑元件9振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。

试验模型通过螺栓安装在测力天平的子系统浮动框上；

如图2所示，测力天平12设置于模型支架框架11内部，且通过螺栓安装在模型支架13上，模型支架13通过螺栓安装于风洞地基上。

优选的，支撑元件9采用I型梁，测量元件10采用I型梁或T梁结构；并且/或者试验模型总长度不超过测力天平12长度的3倍。经过试验，这样能保证试验模型的刚度，提高系统的响应频率。该天平采用了“I”型梁作为主要支撑元件，该天平测量元件采用“T”型梁，在气动力载荷作用下可以简化为一个悬臂梁，受力时发生单弯曲变形，支撑元件则发生双弯曲变形，该测量元件的特点是配合“I”型支撑元件，可以为天平提供较大的刚度，同时干扰小，适用于尺度较大、受载较大的天平。由于模型长度大，且试验过程中为了提高测力系统的响应频率，模型前后悬臂不能过长，天平各部分独立输出各自在轴向力、法向力和俯仰力矩信号，通过天平整体校准公式实现对模型轴向力、法向力和俯仰力矩三分量气动力载荷的解算。

如图3所示，在子天平浮动框和测力天平固定框之间设有天平过载保护结构，包括x、y双向限位机构15和x向限位机构14，x、y双向限位机构15具有x方向和y方向的限位段，x向限位机构14具有x方向的限位段。过载保护结构两者之间的间隙为1~2mm，当子系统浮动框运动超过上述间隙时，该装置的子天平浮动框和过载保护结构发生接触，从而限制子系统浮动框继续运动，起到保护测力天平的作用。

如图4所示，在每个测力天平子系统的浮动框和试验模型连接的部位设有多个接触斑16，接触斑16为圆形或方形的凸台结构。通过减小天平与模型接触面积降低天平生产成本，提高法向力测量精度。

如图5所示，在测力天平子系统下表面与模型支架13的连接面处设有接触凸台17。接触凸台17用于减小加工面积，利于保证接触面的平面度，提高测力天平固定框下表面与模型支架的接触率；

如图6所示，在子系统浮动框、子系统连接件上设有挖空形式的减重槽18。浮动框上减重槽采用长直槽形式，浮动框与测力天平固定框的子系统连接件上采用短槽形式，减重结构设计的原则为：增加减重槽后，浮动框在弯曲方向的刚度变化较小；在保证天平测量分量上浮动框刚度的同时，减轻浮动框重量，从而提高重载模型测力系统的响应频率，提高试验模型的测力精度。

优选的，测力天平12的外围设有保护罩，保护罩与测力天平固定框8固定连接，将测量元件10封闭在保护罩中，保护罩不与浮动框连接。具体的，天平保护罩包含4部分，分别为侧保护罩和正保护罩，保护罩固定连在测力天平固定框上不能和浮动框接触，侧保护罩通过48颗M3螺钉与测力天平固定框相连，正保护罩通过12颗M3螺钉与测力天平固定框连接。保护罩用于保护测力装置的测量元件，使其不暴露在风洞气流中，防止脉冲燃烧风洞高温来流直接作用于测量元件，损坏测量元件上的应变片，导致测力装置损坏，保证保护罩不会将浮动框和测力天平固定框连接在一起，防止将保护罩上所受到的气动力载荷传递至测力装置测量元件，对模型测力产生干扰。

支撑元件和测量元件的刚度要小于整个刚体的刚度以使测量元件产生应变，测力系统的频率相应不小于30hz，浮动框的振动规律和模型一致，

支架用于将模型固定于风洞中合适的位置，一般要求安装后模型全部（飞行器发动机一体化试验）或进气道（发动机试验）位于风洞均匀区内。

本实施例还提供一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平的工作方法，其为：

试验模型为被测量对象，试验的目的为测量试验模型在风洞运行过程中受到的气动阻力和发动机工作时模型产生的正推力；试验模型在风洞运行中产生的升力和俯仰力矩；

试验过程中，子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动，带动测力天平上的测量元件10和支撑元件9振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。

图7是本实施例的测力天平测量元件上应变片贴片图；图8 是X1~X4天平轴向力惠斯通电路图，其中第一位“X”表示上述电路测量轴向力分量载荷，第二位“1”、“2”、“3”、“4”表示1~4号惠斯通电路；图9 是Y1~Y12天平法向力和俯仰力矩惠斯通电路图，其中第一位Y表示上述电路测量法向力和俯仰力矩分量载荷，第二（或二三）位“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“10”、“11”、“12”表示1~12号惠斯通电路；如图所示，坐标系z轴由右手法则确定。其中X11~X18、X21~X28、X31~X38、X41~X48用于测量模型轴向力，其中第一位“X”表示上述电路测量轴向力分量载荷，第二位“1”、“2”、“3”、“4”表示1~4号惠斯通电路，第三位的1~8表示相应电路中的1~8号应变片，Y11~Y18、Y21~Y28、Y31~Y38、Y41~Y48、Y51~Y58、Y61~Y68、Y71~Y78、Y81~Y88、Y91~Y98、Y101~Y108、Y111~Y118、Y121~Y128用于测量模型受到的法向力和俯仰力矩，其中第一位Y表示上述电路测量法向力和俯仰力矩分量载荷，第二（或二三）位“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“10”、“11”、“12”表示1~12号惠斯通电路，最后一位的1~8表示相应电路中的1~8号应变片。括号内的编号代表对应侧z小于0的测量元件上的应变计粘贴位置，Y分量同样如此定义。各分量的组桥方式为：其中Xi电桥输出结果为：Xi=Xi1+Xi2-Xi3-Xi4+Xi5+Xi6-Xi7-Xi8，其中i取值为1~8，Yi=Yj1+Yj2-Yj3-Yj4+Yj5+Yj6-Yj7-Yj8，其中j取值为1~12。根据各电桥输出结果，叠加计算获得天平三分量的输出载荷，如下式所述：

；

上式中，X为轴向力的输出信号，Xi分别为X1~X4号惠斯通电路的输出信号，Y为法向力的输出信号，Yj分别为Y1~Y12号惠斯通电路的输出信号，Mz为俯仰力矩的输出信号，Yj同样分别为Y1~Y12号惠斯通电路的输出信号。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平，用于测量试验模型在风洞运行过程中产生的气动力载荷，其特征在于：包括测力天平（12），测力天平（12）包括至少3个测力天平子系统：测力天平子系统a、测力天平子系统b、测力天平子系统c，测力天平通过各子系统浮动框连接试验模型，各测力天平子系统分别测量试验模型施加到各子系统浮动框上的气动力载荷，相邻的测力天平子系统之间设有子系统连接件，通过子系统连接件将测力天平子系统依次串联起来；

每个测力天平子系统包括：与模型支架（13）固定连接的测力天平固定框（8）、悬浮于测力天平固定框上方的子系统浮动框，测力天平固定框和子系统浮动框之间无直接刚性连接、且二者在y方向设有间隙；子系统浮动框通过支撑元件（9）和测量元件（10）、与测力天平固定框相连，支撑元件（9）和测量元件（10）的刚度远小于子系统浮动框和测力天平固定框的刚度；子系统浮动框与试验模型固定连接；

每个测力天平子系统中，支撑元件（9）分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，测量元件（10）也分布在子系统浮动框和与其相邻的子系统连接件之间、以及测力天平固定框和与其相邻的子系统连接件之间，测量元件（10）上设有应变片；

2.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z轴方向转动，带动测力天平上的测量元件（10）和支撑元件（9）振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。

3.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：试验模型通过螺栓安装在测力天平的子系统浮动框上；并且/或者测力天平（12）设置于模型支架框架（11）内部，且通过螺栓安装在模型支架（13）上，模型支架（13）通过螺栓安装于风洞地基上。

4.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：支撑元件（9）采用I型梁，测量元件（10）采用I型梁或T梁结构；并且/或者试验模型总长度不超过测力天平（12）长度的3倍。

5.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：在子天平浮动框和测力天平固定框之间设有天平过载保护结构，包括x、y双向限位机构（15）和x向限位机构（14），x、y双向限位机构（15）具有x方向和y方向的限位段，x向限位机构（14）具有x方向的限位段。

6.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：在每个测力天平子系统的浮动框和试验模型连接的部位设有多个接触斑（16），接触斑（16）为圆形或方形的凸台结构。

7.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：在测力天平固定框下表面与模型支架（13）的连接面处设有接触凸台（17）。

8.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：在子系统浮动框、子系统连接件上设有挖空形成的减重槽（18）。

9.根据权利要求1所述的脉冲风洞大型串联式重载测力天平，其特征在于：测力天平（12）的外围设有保护罩，保护罩与测力天平固定框（8）固定连接，将测量元件（10）封闭在保护罩中，保护罩不与浮动框接触。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种脉冲风洞大型串联式重载测力天平的工作方法，其特征在于：

试验模型为被测量对象，试验的目的为测量试验模型在风洞运行过程中受到的气动阻力和发动机工作时模型产生的正推力，试验模型在风洞运行中产生的升力和俯仰力矩；

试验过程中，子系统浮动框和试验模型在风洞高速气流作用下在xoy面内沿x、y方向振动及绕z方向转动，带动测力天平上的测量元件（10）和支撑元件（9）振动产生应变，从而使测量元件上的应变片电阻发生变化，引起惠斯通电路输出电压发生变化，其中，x方向为风洞流场从上游到下游的方向，y为垂直于地面竖直向上的方向，z同时垂直于x和y方向；各天平测力子系统独立输出各自的沿x方向的轴向力、沿y方向的法向力和绕z方向转动的俯仰力矩分量上的电压信号，通过惠斯通电路不同的组桥方式，结合天平整体校准公式，联合解算模型受到的风洞气动力载荷。