CN118067355A - 带温度自补偿的低温天平加载头及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带温度自补偿的低温天平加载头及应用方法，涉及风洞试验领域，包括加载头主体，所述加载头与低温天平转接头的连接处设置有隔热垫片；其中，在加载头与低温天平转接头连接处，还设置有对加载头主体温度进行调节的温度调节片。本发明提供一种带温度自补偿的低温天平加载头及应用方法，考虑了加载头与低温实验箱的结构和低温特性耦合的因素，能在保持天平在低温试验箱提供的环境下实现载荷的传递转换，带有温度补偿功能，能通过加热加载头主体降低因温度变化引起的误差，并避免加载头与天平转接头连接处出现冷凝现象，同时具有足够高的刚度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及风洞试验技术领域。更具体地说，本发明涉及一种带温度自补偿的低温天平加载头及应用方法。
背景技术
风洞测力试验是飞行器研制最基本的试验手段。风洞应变天平（以下简称天平）是风洞测力试验中最重要的测量设备，用于支撑模型并测量作用在模型上的空气动力载荷（力与力矩）。天平在使用前需要在校准系统上对其进行静态校准，以获取信号与载荷输出之间的换算公式（系数矩阵）。天平校准加载头（以下简称加载头）是天平校准系统关键的配套设备。加载头的功能是通过加载头上的准确力作用点和标准力臂，将砝码（或者力发生器）施加的已知载荷转换成各种力和力矩，准确地传递到天平上。
加载头要求具有足够的刚性以避免在受载后变形过大导致力作用点或者力臂改变引入对力和力矩的误差，并且其本身重量不宜过大，所以常规加载头的结构比较紧凑。低温天平校准系统需要为天平提供准确的低温模拟环境，低温加载头在结构和功能上必须要考虑与低温实验箱的结构和天平低温特性相耦合的因素。
而目前世界上已知具备低温天平校准能力的只有欧洲跨声速风洞、美国国家跨声速风洞。在低温加载头方面，欧洲跨声速风洞的低温天平校准设备为非复位式校准系统，这类校准系统没有传统意义上的加载头；美国国家跨声速风洞的低温天平校准设备是将常规加载头包含在低温试验箱中，在低温环境下依次施加单个分量的载荷完成天平各分量的校准，每个分量加载均需要手动更换加载点，完成一个完整校准流程通常需要数月时间，效率极低。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种带温度自补偿的低温天平加载头，包括加载头主体，所述加载头与低温天平转接头的连接处设置有隔热垫片；
其中，在加载头与低温天平转接头连接处，还设置有对加载头主体温度进行调节的温度调节片。
优选的是，所述温度调节片为环形陶瓷加热片。
优选的是，所述加载头主体包括：
刚性体；
设置在刚性体两侧的纵向加载力臂；
部分设置在各纵向加载力臂中的横向加载力臂；
其中，纵向加载力臂和横向加载力臂均为悬臂梁结构；
所述纵向加载力臂、横向加载力臂均对称于加载头主体的中心轴线，且纵向加载力臂、横向加载力臂之间具有2mm的间隙。
优选的是，所述纵向加载力臂上呈上下布局设置有P1、P2、P3、P4四个力加载用基准孔Ⅰ，基准孔Ⅰ左右对称于X轴并与Z轴正交；
所述横向加载力臂上呈左右布局设置有P7、P8、P9、P10四个力加载用基准孔Ⅱ，基准孔Ⅱ位于X-Z平面并与X轴正交，其中P7、P8两个孔与Z轴同轴；
所述刚性体在上下、前后位置上布局设置有P5、P6、P11、P12、P13、P14六个力加载用基准孔Ⅲ，P5、P6位于X-Y平面并与X轴正交，P11、P12、P13、P14位于X-Z平面并对称和平行于X轴。
一种带温度自补偿的低温天平加载头的应用方法，包括：
S1、将天平转接头一端套设隔热垫片，并通过螺钉固定在加载头主体上；
S2、将天平转接头另一端穿过低温实验箱与被校准天平连接，将温度调节片通过导热胶粘剂设置在加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面；
S3、通过加载头主体上的各基准孔与施力加载机构连接，构建天平校准的加载力系，以通过预定的载荷加载方案完成天平的校准加载，在所述载荷加载方案中轴向力X、法向力Y以及侧向力Z分别通过下式得到：
X=F11+F12-F13-F14, Y=F1+F2-F3-F4, Z=F8–F7；
上式中，F1、F2、F3、F4……F14分别表示与P1、P2、…P14连接的施力加载机构产生的拉力；
X、Y、Z对应的滚转力矩 Mx、My、Mz分别通过下式得到：
Mx=(F1-F2-F3+F4)×LMx, My=(F8-F7-F10+F9)×LMy, Mz=(F5-F6+F3+F4-F1-F2)×LMz；
上式中，LMx为P1、P2、P3、P4与Y轴之间的距离，LMy为P9、P10与Z轴之间的距离，LMz为P5、P6与Y轴之间的距离；
S4、在低温天平校准过程中，当加载头主体与天平转接头连接部位的温度会低于其它部位时，基准孔Ⅰ向内侧对称收缩，LMx变小带来校准误差，通过温度调节片对加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面进行均匀对称加热，以使基准孔Ⅰ向两侧对称张开并回到初始位置。
本发明至少包括以下有益效果：本发明重点考虑了加载头与低温实验箱的结构和低温特性耦合的因素，能在保持天平在低温试验箱提供的环境下实现载荷的传递转换，可以保证天平在整个天平校准过程中不需要更换安装姿态即可实现每个分量的加载，天平校准效率高；本发明带有温度补偿功能，能通过加热加载头主体降低因温度变化引起的误差，并避免加载头与天平转接头连接处出现冷凝现象，同时具有足够高的刚度和精度。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的低温加载头结构示意图；
图2是本发明的低温加载头主视图；
图3是图2的仰视图；
图4是图2的左视图；
图5为图4中I的局部放大示意图；
图6为低温加载头的力系示意图；
其中，1-加载头主体，2-温度调节片，3-天平转接头，4-隔热垫片，5-刚性体部分，6-纵向加载力臂，7-横向加载力臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种带温度自补偿的低温天平加载头，适用于低温风洞应变天平的静态校准，如图1所示，包括加载头主体1、温度调节片2、天平转接头3和隔热垫片4。天平转接头通过螺钉固定在加载头主体上，天平转接头与加载头主体之间有隔热垫片，天平转接头另一端穿过低温实验箱与被校准天平连接；温度调节片通过导热胶粘剂粘贴在加载头主体上。
所述的加载头主体如图4所示，加载头主体是一个整体结构，由刚性体部分、纵向加载力臂和横向加载力臂组成。纵向加载力臂和横向加载力臂均为悬臂梁结构，各有两个，位于加载头左右两侧，并对称于加载头中心轴线。左右纵向加载力臂和横向加载力臂之间的空间可以满足天平及温度实验箱的布置。横向加载力臂位于纵向加载力臂的中间，并与横向加载力臂之间留有2mm的间隙（如图4、图5所示），两者相互独立，在受载变形后不相互影响。所述的加载头主体上设置有14个基准孔（P1、P2、P3…P14，如图2、图3所示），用于与施力加载机构连接，形成天平校准的加载力系，加载头力系示意图如图6所示，图6中的F1、F2、…F14分别表示与P1、P2、…P14基准孔连接的施力加载机构产生的拉力。
所述的隔热垫片材料为环氧树脂玻璃布板，用于降低天平转接头与加载头主体之间的热传导。
所述的温度调节片为环形陶瓷加热片，布置在加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面，用于调节加载头主体的温度，从而调整加载头纵向加载力臂因温度引起的变形。
低温天平校准时，需要预先通过低温实验箱将天平冷却并稳定在拟校准温度，由于天平转接头与加载头主体之间的隔热垫片不能完全隔绝两者之间的热传导，加载头主体温度将有明显的下降，同时加载头主体与天平转接头连接部位的温度会低于其它部位，加载头主体整体的温度下降和局部的温度不均匀引起两个纵向加载力臂上的基准孔ⅠP1、P2、P3、P4向X轴方向收缩（即基准孔Ⅰ向内侧对称收缩，LMx变小带来校准误差），改变加载头的滚转力矩力臂，带来天平校准的误差。同时，加载头主体与天平转接头连接部位的温度过低也会引起冷凝现象的发生，空气中的水分在该部位凝结为水珠，除了引入加载头的质量误差外，长期下去也将带来相关设备的锈蚀。
通过温度调节片对加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面进行均匀对称加热，基于同样的热胀冷缩原理，两个纵向加载力臂上的基准孔ⅠP1、P2、P3、P4将向两侧对称张开，通过调节环形陶瓷加热片的加热温度，最终可以使基准孔P1、P2、P3、P4回到初始位置附近，误差减小。同时，由于加热效果的存在，加载头主体的温度将接近室温，不会出现冷凝现象。
在完成上述准备工作后，与常规天平校准一样，按编制好的载荷加载方案对天平实施校准，最终完成天平在拟定温度下的校准。
在所述载荷加载方案中轴向力X、法向力Y以及侧向力Z分别通过下式得到：
X=F11+F12-F13-F14, Y=F1+F2-F3-F4, Z=F8–F7；
X、Y、Z对应的滚转力矩 Mx、My、Mz分别通过下式得到：
Mx=(F1-F2-F3+F4)×LMx, My=(F8-F7-F10+F9)×LMy, Mz=(F5-F6+F3+F4-F1-F2)×LMz，
上式中，LMx为P1、P2、P3、P4与Y轴之间的距离，LMy为P9、P10与Z轴之间的距离，LMz为P5、P6与Y轴之间的距离；
S4、在低温天平校准过程中，当加载头主体与天平转接头连接部位的温度会低于其它部位时，基准孔Ⅰ向内侧对称收缩，LMx变小带来校准误差，通过温度调节片对加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面进行均匀对称加热，以使基准孔Ⅰ向两侧对称张开并回到初始位置附近，误差减小。
实施例：
一种带温度自补偿的低温天平加载头结构简图如图1所示，设计载荷为：轴向力X=2500N、法向力Y=40000N、侧向力Z=10000N、滚转力矩Mx=2000N×m、My=2000N×m、Mz=2500N×m。
加载头主体左右力臂之间的距离为700mm，可以满足一台低温实验箱的安装空间需求。
在室温22℃环境下对天平进行-160℃状态的校准前，先将低温实验箱中的天平冷却到-160℃，在未对加载头主体加热时，天平转接头与加载头主体连接处的温度为5.4℃，纵向加载力臂的P1、P2基准孔Ⅰ位置处的温度为14.2℃，加载头纵向加载力臂的P1、P2基准孔Ⅰ的相对初始位置的位移分别为0.082mm和-0.081mm，加载头滚转力矩的力臂为350mm，因温度影响造成的相对误差为0.023%，该值相对于整个天平校准系统不确定度0.03%的技术指标，占比过大；而在冷却天平的同时对加热片通电调节连接部位的温度，达到温度平衡时，天平转接头与加载头主体连接处的温度为15.3℃，纵向加载力臂的P1、P2基准孔Ⅰ位置处的温度为20.8℃，P1、P2基准孔Ⅰ相对初始位置的位移分别为0.02mm和-0.018mm，此时因温度影响造成的滚转力矩力臂的误差为0.006%，对校准系统不确定度的贡献量不再明显，可以满足高精度校准的需要。
对于加载头纵向加载力臂和横向加载力臂的刚度进行了实测，固定加载头与天平转接头接口位置，在对纵向加载力臂的P1、P2基准孔Ⅰ位置同时施加最大载荷20000N的工况下，P1、P2基准孔Ⅰ位置仅在Y向有相对位移0.1mm，而Y向相对位移不影响Y向的加载准度，此时横向加载力臂上的P8基准孔Ⅱ的Y向相对位移为0.01mm，此时施加最大侧向力Z（10000N）时，因P8基准孔Ⅱ的Y向相对位移产生的附加滚转力矩为0.1 N×m，相对误差为0.005%。同样的，在对横向加载力臂的P8点施加最大载荷10000N的工况下，纵向加载力臂上的P2基准孔Ⅰ的Z向相对位移为0.008mm，此时在该位置施加最大法向载荷20000N时，因P2基准孔Ⅰ的Z向相对位移产生的附加滚转力矩为0.16 N×m，相对误差仅为0.008%，完全能满足高精度校准的需要。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种带温度自补偿的低温天平加载头，包括加载头主体，其特征在于，所述加载头与低温天平转接头的连接处设置有隔热垫片；
其中，在加载头与低温天平转接头连接处，还设置有对加载头主体温度进行调节的温度调节片。
2.如权利要求1所述的带温度自补偿的低温天平加载头，其特征在于，所述温度调节片为环形陶瓷加热片。
3.如权利要求1所述的带温度自补偿的低温天平加载头，其特征在于，所述加载头主体包括：
刚性体；
设置在刚性体两侧的纵向加载力臂；
部分设置在各纵向加载力臂中的横向加载力臂；
其中，纵向加载力臂和横向加载力臂均为悬臂梁结构；
所述纵向加载力臂、横向加载力臂均对称于加载头主体的中心轴线，且纵向加载力臂、横向加载力臂之间具有2mm的间隙。
4.如权利要求3所述的带温度自补偿的低温天平加载头，其特征在于，所述纵向加载力臂上呈上下布局设置有P1、P2、P3、P4四个力加载用基准孔Ⅰ，基准孔Ⅰ左右对称于X轴并与Z轴正交；
所述横向加载力臂上呈左右布局设置有P7、P8、P9、P10四个力加载用基准孔Ⅱ，基准孔Ⅱ位于X-Z平面并与X轴正交，且P7、P8两个孔与Z轴同轴；
所述刚性体在上下、前后位置上布局设置有P5、P6、P11、P12、P13、P14六个力加载用基准孔Ⅲ，P5、P6位于X-Y平面并与X轴正交，P11、P12、P13、P14位于X-Z平面，并对称和平行于X轴。
5.一种应用方法，应用于如权利要求1-4任一项所述带温度自补偿的低温天平加载头中，其特征在于，包括：
S1、将天平转接头一端套设隔热垫片，并通过螺钉固定在加载头主体上；
S2、将天平转接头另一端穿过低温实验箱与被校准天平连接，将温度调节片通过导热胶粘剂设置在加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面；
S3、通过加载头主体上的各基准孔与施力加载机构连接，构建天平校准的加载力系，以通过预定的载荷加载方案完成天平的校准加载，在所述载荷加载方案中轴向力X、法向力Y以及侧向力Z分别通过下式得到：
X=F11+F12-F13-F14, Y=F1+F2-F3-F4, Z=F8–F7；
上式中，F1、F2、F3、F4……F14分别表示与P1、P2、…P14连接的施力加载机构产生的拉力；
X、Y、Z对应的滚转力矩 Mx、My、Mz分别通过下式得到：
Mx=(F1-F2-F3+F4)×LMx, My=(F8-F7-F10+F9)×LMy, Mz=(F5-F6+F3+F4-F1-F2)×LMz；
上式中，LMx为P1、P2、P3、P4与Y轴之间的距离，LMy为P9、P10与Z轴之间的距离，LMz为P5、P6与Y轴之间的距离；
S4、在低温天平校准过程中，当加载头主体与天平转接头连接部位的温度会低于其它部位时，基准孔Ⅰ向内侧对称收缩，LMx变小带来校准误差，通过温度调节片对加载头主体与天平转接头连接部位的周围表面进行均匀对称加热，以使基准孔Ⅰ向两侧对称张开并回到初始位置。
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Also Published As
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