CN117091801B - 一种基于二自由度校准设备的天平校准方法 - Google Patents
一种基于二自由度校准设备的天平校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于空气动力学技术领域，公开了一种基于二自由度校准设备的天平校准方法。采用单元校准方法，进行单分量加载和两分量组合加载；在天平预偏滚转角γ1下，进行天平法向力Y和侧向力Z加载；在天平预偏滚转角γ2下，进行天平俯仰力矩Mz和偏航力矩My加载；在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构进行偏航力矩My加载；按照天平校准规范进行数据处理，获得天平校准公式。通过纵横向分量的交叉组合载荷加载，求出升力与侧向力、俯仰力矩与偏航力矩、升力与偏航力矩、侧向力与俯仰力矩的交叉载荷对天平各分量的干扰项系数，解决了二自由度天平校准设备的校准方法缺少纵横向干扰项系数的问题。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，具体涉及一种基于二自由度校准设备的天平校准方法。
背景技术
风洞试验是开展空气动力学研究和预测飞行器气动特性最根本最可靠的技术手段，而风洞应变天平（以下简称天平）是风洞测力试验最基础、最重要的测量设备。为了准确测量飞行器模型的空气动力载荷，必须对天平进行静态校准，以获得天平的校准公式。
天平静态校准就是将天平安装到校准设备上，按已知的坐标轴系模拟天平在风洞试验时的受力状态，对天平精确地施加静态载荷，求得天平各分量的输出信号与所加载荷的对应关系，即天平校准公式，以便在风洞实验中，根据各分量的输出信号，求出模型的空气动力载荷。
天平的校准公式目前主要采用二阶隐式校准通式：
，
其中，天平的法向力分量载荷为Y，Y的单位为kg，天平的俯仰力矩分量载荷为Mz，Mz的单位为kg·m，天平的轴向力分量载荷为X，X的单位为kg，天平的滚转力矩分量载荷为Mx，Mx的单位为kg·m，天平的侧向力分量载荷为Z，Z的单位为kg，天平的偏航力矩分量载荷为My，My的单位为kg·m，共六个分量分别用和/>标识。/>为天平第i分量的输出电压信号。/>为是截距项（常数项）；一次项系数/>，包括主项系数/>和各分量之间的一次干扰项系数/>；二次项系数/>，包括平方项系数/>和两分量交叉项系数/>。对于一个常规的六分量天平，有6×27个系数需要确定。
二自由度体轴系天平校准设备采用常规吊挂砝码的加载方法。目前，采用的校准方式主要对纵向和横向姿态分别进行校准，求取相关的主项和干扰项系数，但是，未同时对纵横向进行交叉加载，因而没有求出升力与侧向力的组合加载载荷YZ、俯仰力矩与偏航力矩的组合加载载荷M z M y、升力与偏航力矩的组合加载载荷YM y 、侧向力与俯仰力矩的组合加载载荷ZM z 对天平各分量的干扰项系数，给风洞天平的校准公式带来了一定的误差。
当前，亟需发展一种能够在二自由度体轴系天平校准设备上求出天平校准公式中所有干扰项系数的基于二自由度校准设备的天平校准方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于二自由度天平校准设备的校准方法，用以克服现有技术的缺陷。
本发明的基于二自由度校准设备的天平校准方法，包括以下步骤：
S10.采用单元校准方法，进行单分量加载；
采用单元校准方法，进行单分量加载，分别完成天平纵向和横向的单分量加载，获得天平法向力Y、俯仰力矩Mz、轴向力X、滚转力矩Mx、侧向力Z、偏航力矩My共6个分量的单分量加载数据，求出i分量主项系数与二次平方项干扰系数/>，i分量对其他分量的一次干扰系数/>与二次平方项干扰系数/>；i表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第i个分量，j表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第j个分量，j≠i；
S20.采用单元校准方法，进行两分量组合加载；
采用单元校准方法，进行两分量组合加载，分别完成天平纵向和横向的两分量组合加载，获得天平YM z 、YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 共11种两分量组合加载数据，求出两个分量j、l，l表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第l个分量，j≠l，对其他分量i的二次交叉干扰系数；其中，YM z 表示天平法向力Y和天平俯仰力矩M z 进行组合加载获得的组合加载数据，剩余的YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 按照与YM z 相同的方式进行定义；
S30.在天平预偏滚转角γ 1下，进行天平法向力Y和侧向力Z加载；
设天平预偏滚转角为γ 1，对天平采用阶梯递增和阶梯递减的方式加载砝码，砝码重量为G，天平受到的是法向力Y和侧向力Z的组合载荷YZ，其中：
；
S40.在天平预偏滚转角γ 2下，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
设天平预偏滚转角为γ 2，对天平施加弯矩M 1 ，天平受到了俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 的组合载荷M z M y ，其中：
；
由于G 0和X 0的原因，其中，G 0为初始配重，X 0 为施加M y 时的轴向力X配重，天平还受到了组合载荷M z X、XM y 、YM z 、ZM y 、YM y 、M z Z；其中，M z X、XM y 、YM z 、ZM y 在步骤S20已经完成相关的加载，为了获得M z M y 的组合载荷项系数，需要分离出YM y 和M z Z的影响；
S50.在天平预偏滚转角γ 2下，改变配重砝码G，再次进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
再次对天平施加弯矩M 1 ，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；相对于步骤S40，由于M z M y 、M z X、XM y 的组合载荷没有变化，天平输出的变化量由YM y 、M z Z、YM z 、ZM y 引起；
；
从式（7）和（8）可知：，即在天平预偏滚转角γ下对天平加载，YM y 和M z Z线性相关，无法通过回归算法得到YM y 和M z Z对应的系数，需要改变两个变量的线性相关；
S60.在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构进行偏航力矩M y 加载；
在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构对天平施加偏航力矩载荷M y1 的方式来获得YM y 对应的系数，再分离计算出M z Z对其他分量i的干扰系数/>；但是，由于二自由度复位机构不具备偏航角β的复位功能，通过阻力滑轮施加偏航力矩载荷M y1 时，天平将在Z方向出现弹性变形，从而出现侧向力载荷Z 1 ，即除了输入的偏航力矩载荷M y1 以外，还有侧向力载荷Z 1 ，数据处理时将侧向力载荷Z 1 作为载荷的一部分纳入到数据回归分析；侧向力载荷Z 1 通过弹性角计算获得：
；
其中，X 1 为施加M y1 时的轴向力X配重；β是由M y1 引起的天平及支杆弹性角，β通过校准或实测得到；
S70.按照天平校准规范进行数据处理，获得天平校准公式。
本发明的基于二自由度天平校准设备的校准方法通过纵横向分量的交叉组合载荷加载，求出升力Y与侧向力Z、俯仰力矩M z与偏航力矩M y、升力Y与偏航力矩M y、侧向力Z与俯仰力矩M z的交叉载荷对天平各分量的干扰项系数，解决了二自由度天平校准设备的校准方法缺少纵横向干扰项系数的问题。
附图说明
图1为发明的基于二自由度天平校准设备的校准方法的流程图；
图2为实施例1使用的二自由度天平校准设备的结构示意图；
图3为实施例1的天平校准力系布局示意图；
图4为实施例1的天平i和j分量校准载荷包线图；
图5为实施例1的天平YZ和M z M y交叉校准载荷包线图。
图中，1.二自由度复位机构；2.天平；3.支杆；4.加载头；5.轴向力换向机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
本实施例的使用的二自由度天平校准设备如图2所示，二自由度天平校准设备的主体是二自由度复位机构1，在二自由度复位机构1的前端，从前至后依次固定天平2和支杆3，天平2上套装加载头4，加载头4上吊装4个砝码盘，对应的加载砝码值分别为G 1 、G 2 、G 5 、G 6 ；在二自由度复位机构1的后端，设置轴向力换向机构5，轴向力换向机构5与加载头4之间通过两根平行的水平钢丝绳和一一对应的两个阻力滑轮吊装2个砝码盘，对应的加载砝码值分别为G 3 、G 4 。G 1 、G 2 、G 3 、G 4 、G 5 、G 6 的天平校准力系布局见图3。
本实施例天平的设计载荷要求：升力Y分量1600N，俯仰力矩M z 分量为90N·m，轴向力X分量为300N，滚转力矩M x 分量为15N·m，侧向力Z分量为300N，偏航力矩M y 分量为30N·m。
如图1所示，本实施例的基于二自由度校准设备的天平校准方法，包括以下步骤：
S10.采用单元校准方法，进行单分量加载；
采用单元校准方法，进行单分量加载，分别完成天平纵向和横向的单分量加载，获得天平法向力Y、俯仰力矩Mz、轴向力X、滚转力矩Mx、侧向力Z、偏航力矩My共6个分量的单分量加载数据，求出i分量主项系数与二次平方项干扰系数/>，i分量对其他分量的一次干扰系数/>与二次平方项干扰系数/>；i表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第i个分量，j表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第j个分量，j≠i；
S20.采用单元校准方法，进行两分量组合加载；
采用单元校准方法，进行两分量组合加载，分别完成天平纵向和横向的两分量组合加载，获得天平YM z 、YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 共11种两分量组合加载数据，求出两个分量j、l，l表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第l个分量，j≠l，对其他分量i的二次交叉干扰系数；其中，YM z 表示天平法向力Y和天平俯仰力矩M z 进行组合加载获得的组合加载数据，剩余的YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 按照与YM z 相同的方式进行定义；
具体而言，步骤S10和S20的具体过程如下：
按照图4所示的校准载荷包线图（图中横坐标和纵坐标数据为相对于天平分量满量程载荷的百分比，%FS）表示天平i、j两个分量的基准加载方案。采集天平各分量的电压输出值，从而获得天平加载和输出之间对应的校准加载原始数据；
天平静态校准先依次完成-Y方向的Y、M z 、X、M x 四个分量的单分量加载、两分量组合加载（YM z 、YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x ）；然后将天平旋转180°，依次完成+Y方向上述加载步骤。同理，在天平90°和270°状态下依次完成+Z方向和-Z方向的X、M x 、Z、M y 四个分量的单分量加载、两分量组合加载（XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y ）；
S30.在天平预偏滚转角γ 1下，进行天平法向力Y和侧向力Z加载；
对于法向力Y和侧向力Z的之间的交叉加载方案，基于二自由度校准设备的特性，采用图5所示的交叉校准载荷包线图（图中横坐标和纵坐标数据为相对于天平分量满量程载荷的百分比，%FS）表示天平i、j两个分量的基准加载方案；设天平预偏滚转角为γ 1，对天平采用阶梯递增和阶梯递减的方式加载砝码，砝码重量为G，天平受到的是法向力Y和侧向力Z的组合载荷YZ，其中：
；
天平预偏滚转角γ 1根据法向力Y和侧向力Z的具体载荷确定，本实施例的γ 1=10.62°；
S40.在天平预偏滚转角γ 2下，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
对于俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 的之间的交叉加载方案，基于二自由度校准设备的特性，也采用图5所示的交叉校准载荷包线图；设天平预偏滚转角为γ 2，对天平施加弯矩M 1 ，天平受到了俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 的组合载荷M z M y ，其中：
；
天平预偏滚转角γ 2根据天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 的具体载荷确定，实施例的γ 2=18.43°；
由于G 0和X 0的原因，其中，G 0为初始配重，X 0 为施加M y 时的轴向力X配重，天平还受到了组合载荷M z X、XM y 、YM z 、ZM y 、YM y 、M z Z；其中，M z X、XM y 、YM z 、ZM y 在步骤S20已经完成相关的加载，为了获得M z M y 的组合载荷项系数，需要分离出YM y 和M z Z的影响；
S50.在天平预偏滚转角γ 2下，改变配重砝码G，再次进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
为了减少校准时更换天平预偏滚转角的工作量，力和力矩的预偏滚转角最好一致，本实施例取γ=15°；
再次对天平施加弯矩M 1 ，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；相对于步骤S40，由于M z M y 、M z X、XM y 的组合载荷没有变化，天平输出的变化量由YM y 、M z Z、YM z 、ZM y 引起；
；
从式（7）和（8）可知：，即在天平预偏滚转角γ下对天平加载，YM y 和M z Z线性相关，无法通过回归算法得到YM y 和M z Z对应的系数，需要改变两个变量的线性相关；
S60.在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构进行偏航力矩M y 加载；
在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构对天平施加偏航力矩载荷M y1 的方式来获得YM y 对应的系数，再分离计算出M z Z对其他分量i的干扰系数/>；依据图3，M y 的载荷：
；
其中，L 3 为图3所示加载点到天平中心的距离；
但是，由于二自由度复位机构不具备偏航角β的复位功能，通过阻力滑轮施加偏航力矩载荷M y1 时，天平将在Z方向出现弹性变形，从而出现侧向力载荷Z 1 ，即除了输入的偏航力矩载荷M y1 以外，还有侧向力载荷Z 1 ，数据处理时将侧向力载荷Z 1 作为载荷的一部分纳入到数据回归分析；侧向力载荷Z 1 通过弹性角计算获得：
；
其中，X 1 为施加M y1 时的轴向力X配重；β是由M y1 引起的天平及支杆弹性角，β通过校准或实测得到；
则：
；
其中，X 0 为施加M y 时的轴向力X配重，为天平和支杆的M y 对应的弹性角系数，本实施例/>；
S70.按照天平校准规范进行数据处理，获得天平校准公式。
本实施例获得的天平加载和输出之间对应的校准加载原始数据见表1a和表1b，表1a和表1b共计160组加载数据，经过数据处理，获得如表2所示的天平校准公式线性矩阵；
上述实施例仅表达了本发明的典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (1)
1.一种基于二自由度校准设备的天平校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.采用单元校准方法，进行单分量加载；
采用单元校准方法，进行单分量加载，分别完成天平纵向和横向的单分量加载，获得天平法向力Y、俯仰力矩Mz、轴向力X、滚转力矩Mx、侧向力Z、偏航力矩My共6个分量的单分量加载数据，求出i分量主项系数与二次平方项干扰系数/>，i分量对其他分量的一次干扰系数/>与二次平方项干扰系数/>；i表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第i个分量，j表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第j个分量，j≠i；
S20.采用单元校准方法，进行两分量组合加载；
采用单元校准方法，进行两分量组合加载，分别完成天平纵向和横向的两分量组合加载，获得天平YM z 、YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 共11种两分量组合加载数据，求出两个分量j、l，l表示天平Y、Mz、X、Mx、Z、My的6个分量中的第l个分量，j≠l，对其他分量i的二次交叉干扰系数；其中，YM z 表示天平法向力Y和天平俯仰力矩M z 进行组合加载获得的组合加载数据，剩余的YX、YM x 、M z X、M z M x 、XM x 、XZ、XM y 、M x Z、M x M y 、ZM y 按照与YM z 相同的方式进行定义；
S30.在天平预偏滚转角γ 1下，进行天平法向力Y和侧向力Z加载；
设天平预偏滚转角为γ 1，对天平采用阶梯递增和阶梯递减的方式加载砝码，砝码重量为G，天平受到的是法向力Y和侧向力Z的组合载荷YZ，其中：
；
S40.在天平预偏滚转角γ 2下，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
设天平预偏滚转角为γ 2，对天平施加弯矩M 1 ，天平受到了俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 的组合载荷M z M y ，其中：
；
由于G 0和X 0的原因，其中，G 0为初始配重，X 0 为施加M y 时的轴向力X配重，天平还受到了组合载荷M z X、XM y 、YM z 、ZM y 、YM y 、M z Z；其中，M z X、XM y 、YM z 、ZM y 在步骤S20已经完成相关的加载，为了获得M z M y 的组合载荷项系数，需要分离出YM y 和M z Z的影响；
S50.在天平预偏滚转角γ 2下，改变配重砝码G，再次进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；
再次对天平施加弯矩M 1 ，进行天平俯仰力矩M z 和偏航力矩M y 加载；相对于步骤S40，由于M z M y 、M z X、XM y 的组合载荷没有变化，天平输出的变化量由YM y 、M z Z、YM z 、ZM y 引起；
；
从式（7）和（8）可知：，即在天平预偏滚转角γ下对天平加载，YM y 和M z Z线性相关，无法通过回归算法得到YM y 和M z Z对应的系数，需要改变两个变量的线性相关；
S60.在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构进行偏航力矩M y 加载；
在天平预偏滚转角γ为0°和180°下，通过轴向力换向机构对天平施加偏航力矩载荷M y1 的方式来获得YM y 对应的系数，再分离计算出M z Z对其他分量i的干扰系数/>；但是，由于二自由度复位机构不具备偏航角β的复位功能，通过阻力滑轮施加偏航力矩载荷M y1 时，天平将在Z方向出现弹性变形，从而出现侧向力载荷Z 1 ，即除了输入的偏航力矩载荷M y1 以外，还有侧向力载荷Z 1 ，数据处理时将侧向力载荷Z 1 作为载荷的一部分纳入到数据回归分析；侧向力载荷Z 1 通过弹性角计算获得：
；
其中，X 1 为施加M y1 时的轴向力X配重；β是由M y1 引起的天平及支杆弹性角，β通过校准或实测得到；
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