DE10058424B4

DE10058424B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Kräften und Momenten, die auf in aerodynamischen Windkanälen getestete Modelle wirken

Info

Publication number: DE10058424B4
Application number: DE10058424.1A
Authority: DE
Inventors: Richard J. Ulman; William R. Teman; David A. Rohrig
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2020-11-25
Also published as: DE10058424A1; US20020092348A1; US6564626B2

Abstract

Verfahren zur Messung von Kräften und Momenten, die auf in aerodynamischen Windkanälen getestete Modelle wirken, mit folgenden Verfahrensschritten: Verschiebung eines metrischen Rahmens (3) bezüglich eines Grundrahmens (1) in allen sechs Freiheitsgraden; und Messung der Position des metrischen Rahmens (3) bezüglich des Grundrahmens (1) nur ausschließlich unter Nutzung einer Vielzahl von Verschiebungssensoren zum Bestimmen von Kraft- und Momentenkomponenten, die die sechs Freiheitsgrade repräsentieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Kräften und Momenten, die auf in aerodynamischen Windkanälen getestete Modelle wirken, unter Verwendlung von Verschiebungssensoren.
Hintergrund der Erfindung
Die Messung von Lasten, sowohl Kräfte als auch Momente, mit Genauigkeit und Präzision ist für viele Anwendungen wichtig. Eine verbreitete Verwendung, bei der mehrere Momente und Kräfte gemessen werden müssen, ist das Testen von aerodynamischen Modellen in einem Windkanal bzw. Windtunnel. Diese Vorrichtung, die als Waagen bekannt sind, sind typischer Weise von zwei Typen. Einer von ihnen ist eine Spannung bzw. Zug geeichte Vorrichtung, die Lastzellen oder Biegeelemente nutzt. Diese sind auf die Genauigkeit begrenzt, mit der der Zug gemessen werden kann. Oft verursacht der zur Erreichung einer adäquaten Ausgabe erforderliche Zug eine Ermüdung der Biegeelemente. Der Stand der Technik für diese Typen von Waagen umfasst das Patent US 3 613 443 A das der Firma Boing zugewiesen ist. Im Gegensatz dazu verwendet das vorliegende Instrument Verschiebungs- bzw. Versetzungssensoren, die unabhängig von den Biegeelementen sind. Der zweite Typ ist eine Waage vom Null-Typ. Typischer Weise sind diese aus einer sehr komplexen Serie von Verbindungen gemacht, die die Kräfte und Momente trennen. Den Kräften und Momenten wird durch eine Krafterzeugungsvorrichtung entgegengewirkt, die die Waage zurück führt auf ihre Null-Position. Diese Waagen sind nominal sehr kompliziert und im Allgemeinen flexibler als Zug geeichte Waagen bzw. Zugmesswaagen. Die Komplexität führt oft zu Konstruktionen die teuer in der Konstruktion, der Herstellung und der Wartung sind und ebenso von großen Ausmaßen sind.
Die Flexibilität der Waage resultiert in einer Bewegung der Kalibrierungsmitte der Waage, was eine zusätzliche Unsicherheit der Daten hervor ruft.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung repräsentiert eine einfache Konfiguration für einen hochgenauen, mehrkomponentigen Kraft- und Momentwandler. Lasten werden angelegt, die eine Auslenkung des Wandlers hervor rufen. Diese Auslenkungen werden mit mehreren Verschiebungs- bzw. Versetzungssensoren gemessen. Die Messungen werden in einem Algorithmus kombiniert, der die Verschiebungen bzw. Versetzungen in Kräfte und Momente auflöst. Der Algorithmus basiert auf der Geometrie sowie auf einer Kalibrierung zur Erstellung von Beziehungen zwischen den Verschiebungen und Lasten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Messung von Kräften und Momenten nach Anspruch 1, sowie ein mehrkomponentiger Messwandler zur Messung von Kräften und Momenten nach Anspruch 4, vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Kurze Beschreibung von den mehreren Ansichten der Zeichnung
1 ist eine Isometrieansicht eines Ausführungsbeispiels des Systems in der Testkonfiguration.
2 ist eine Isometrieansicht von einer der Prototypbiegevorrichtungen.
3 ist eine Isometrieansicht, die die relativen Stellen bzw. Anordnungen der in dieser Konstruktion verwendeten Verschiebungssensoren zeigt.
4 ist eine Isometrieansicht eines Ausführungsbeispiels, die darstellt, wie die Kalibrierungslasten angelegt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Konfiguration der Waage ist in 1 gezeigt. Die wesentlichen Teile bzw. Schlüsselteile der Konstruktion sind die Biegevorrichtungen bzw. Flexuren 2, die zusammen die Freiheitsgrade vorsehen. Die Flexuren sind derart konstruiert, dass sie sich um 0.010'' aufgrund einer jeden maximalen Komponentenlast auslenken. Die Konstruktion der Flexuren für den Prototyp ist aus mehreren Abschnitten hergestellt, um die benötigten Freiheitsgrade vorzusehen. In 2 ist 10 der Teil, der einen Freiheitsgrad für den Widerstand und die Seite vorsieht. Der gewinkelte Abschnitt 11 gestattet einen Freiheitsgrad für die Steigung und das Rollen. Der horizontale Abschnitt 12 erhöht den Freiheitsgrad für den Auftrieb und die Gierung. Der primäre Freiheitsgrad für den Auftrieb und die Gierung ist eine Kombination aus 10, 11 und 12. Die Anzahl der Flexuren wird bestimmt durch die angelegten Lasten sowie durch die Einschränkungen bezüglich der Größe der Waage. Die Flexuren werden auf dem Grund 1 und den metrischen Rahmen 3 wie in 1 gezeigt montiert. Die Versetzungen bzw. Verschiebungen, die gemessen werden, sind die Position des metrischen Rahmens 3 bezüglich des Grundrahmens 1. Die Träger für die Verschiebungssensoren sind 8 auf der Grundseite und 9 auf der metrischen Seite. Die Anzahl der Komponenten, die gemessen werden, bestimmen die Anzahl der erforderlichen Sensoren. Der metrische Rahmen 3 besitzt einen integralen Kalibrierungskörper zum Testen. Lasten werden an den Kalibrierungskörper über mehrere Punkte angelegt. Auftriebskräfte werden auf den Kalibrierungsmittelbeschlag 6 in die positive Richtung ausgeübt. In die negative Richtung werden gleiche Lasten an die Punkte 4 und 5 für eine negative Auftriebskraft angelegt. Ein Seitenkraft und eine Widerstandskraft werden an den Kalibrierungsmittelbeschlag 6 angelegt. Ein Steigungsmoment wird durch Variation der Last angelegt, die auf die Punkte 5 angelegt wird, und ein Rollmoment wird angelegt durch Variation der Last, die an die Punkte 4 angelegt wird. Ein Giermoment wird angelegt durch Variation der Last, die an die Gierbelastungsbügel 7 angelegt wird. Eine graphische Repräsentation für die Art, wie diese Lasten angelegt werden, ist aus 4 ersichtlich. Bei einer Verwendung im Windkanal wird der Testgegenstand (das Modell) den Kalibrierungskörperteil des in 1 gezeigten metrischen Rahmens 3 ersetzen.
Die Verschiebungsmesssensoren sind derart angeordnet, dass sechs Komponenten gemessen werden können. Ein Laser-Interferometersystem wird in der vorliegenden Prototypkonstruktion verwendet, es können jedoch andere Verschiebungssysteme mit einer ähnlichen Konfiguration verwendet werden.
Die vorliegende Konfiguration nutzt acht Verschiebungssensoren, die paarweise 90 Grad voneinander beabstandet angeordnet sind. Eine alternative Konfiguration würde sechs Sensoren aufweisen, die paarweise 120 Grad voneinander beabstandet angeordnet sind. Die vier Paare umfassen einen Sensor, der eine vertikale Verschiebung misst und einen, der eine horizontale Verschiebung misst. Die Sensoren werden zwischen dem Grund und den metrischen Sensorträgern 8 und 9 montiert. Die horizontalen Sensoren (HA, HF, HL, HR) werden eingestellt für eine Messung der Verschiebungen in der horizontalen Ebene und die vertikalen Sensoren (VA, VF, VL, VR) werden eingestellt für eine Messung der Verschiebungen in der vertikalen Ebene, wie in 3 gezeigt. Die acht Messungen können dann in die drei Kräfte und die drei Momente aufgelöst werden. Dies wird wie folgt durchgeführt:
VF = Vertikale Messung in der vorderen Position
VA = Vertikale Messung in der hinteren Position
VR = Vertikale Messung in der rechten Position
VL = Vertikale Messung in der linken Position
HF = Horizontale Messung in der vorderen Position
HA = Horizontale Messung in der hinteren Position
HR = Horizontale Messung in der rechten Position
HL = Horizontale Messung in der linken Position.

1) Auftrieb – Der Auftrieb wird proportional zur Summe der vier vertikalen Sensoren sein (VF + VR + VA + VL).
2) Widerstand – Der Widerstand ist proportional zum Unterschied zwischen den vertikalen vorderen und hinteren Sensoren (HR – HL).
3) Seite – Die Seite bzw. die Seitenkraft ist proportional zum Unterschied zwischen den horizontalen vorderen und hinteren Sensoren (HA – HF).
4) Steigung – Die Steigung ist proportional zum Unterschied zwischen den vertikalen vorderen und hinteren Sensoren (VF – VA).
5) Rollen – Das Rollen ist proportional zum Unterschied zwischen den vertikalen linken und rechten Sensoren (VL – VR).
6) Gierung – Die Gierung ist proportional zum Unterschied zwischen der Summe der gegenüberliegenden horizontalen Sensoren ((HR + HL) – (HF + HA)).

Das Vorangegangene und andere Vorteile werden dem Fachmann klar beim Lesen der vorangegangenen Beschreibung.
Während die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, sind für den Fachmann Variationen klar. Demgemäß soll die Erfindung nicht auf die spezifischen dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt sein und der wahre Umfang der Erfindung soll bestimmt sein durch Verweis auf die folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zur Messung von Kräften und Momenten, die auf in aerodynamischen Windkanälen getestete Modelle wirken, mit folgenden Verfahrensschritten: Verschiebung eines metrischen Rahmens (3) bezüglich eines Grundrahmens (1) in allen sechs Freiheitsgraden; und Messung der Position des metrischen Rahmens (3) bezüglich des Grundrahmens (1) nur ausschließlich unter Nutzung einer Vielzahl von Verschiebungssensoren zum Bestimmen von Kraft- und Momentenkomponenten, die die sechs Freiheitsgrade repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensoren acht Verschiebungssensoren aufweist, die paarweise 90 Grad voneinander beabstandet angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensoren sechs Verschiebungssensoren aufweist, die paarweise 120 Grad voneinander beabstandet angeordnet sind.
Ein mehrkomponentiger Messwandler zur Messung von Kräften und Momenten, die auf in aerodynamischen Windkanälen getestete Modelle wirken, der Folgendes aufweist: einen metrischen Rahmen (3), wobei der metrische Rahmen (3) und der Grundrahmen (1) eine Geometrie mit mehreren Achsen vorsehen; mehrere Biegevorrichtungen (2), die zwischen dem Grundrahmen (1) und dem metrischen Rahmen (3) montiert sind; und nur eine Vielzahl von Verschiebungsmesssensoren zum Messen der Verschiebung des metrischen Rahmens (3).