一種雙端測(cè)力裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種雙端測(cè)力裝置，屬于航空航天測(cè)力試驗(yàn)氣動(dòng)力測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，用于針對(duì)風(fēng)洞氣動(dòng)、運(yùn)動(dòng)耦合研究的測(cè)力試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量分段試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母呔群蜏?zhǔn)度的六分量氣動(dòng)力；所述的雙端測(cè)力裝置是一整塊高彈性鋼材加工而成，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，包括前段模型連接端、前段天平、固定端、后段天平和后段模型連接端組成，所述的前、后段天平分別采用“米”字梁和“I”形梁作為彈性敏感元件，其具體尺寸不同；所述的測(cè)量方法是通過(guò)前段天平和后段天平聯(lián)合測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臍鈩?dòng)合力與力矩。本實(shí)用新型解決了特種試驗(yàn)中分段模型同時(shí)進(jìn)行六分量測(cè)力的問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于吊架支撐、張線(xiàn)支撐、腹支撐方式等模型中部支撐方式的風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種雙端測(cè)力裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙端測(cè)力裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前在常規(guī)風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)中普遍采用內(nèi)式天平，其結(jié)構(gòu)形式多樣、尺寸大小成系列、量程和應(yīng)用范圍具有針對(duì)性，不同的飛行器測(cè)力試驗(yàn)需要研制不同的天平來(lái)測(cè)量氣動(dòng)力。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，內(nèi)式天平可分為桿式天平、環(huán)式天平和片式天平。其中，桿式天平廣泛應(yīng)用于飛機(jī)或?qū)椀娜y(cè)力試驗(yàn)中，環(huán)式天平和片式天平主要用于一些具有特殊要求的測(cè)力試驗(yàn):如矢量噴流、部件測(cè)力和鉸鏈力矩試驗(yàn)等。在這類(lèi)試驗(yàn)中，天平與模型通常沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，天平接口總是一端與固定端支桿相連，另一端與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖噙B。天平既是測(cè)量氣動(dòng)力的重要裝置，也是支撐模型的受力部件。
[0003]但是這類(lèi)天平不能直接運(yùn)用于氣動(dòng)/運(yùn)動(dòng)耦合研究的測(cè)力試驗(yàn)中，原因如下:一是試驗(yàn)要求模型可自由滾轉(zhuǎn)，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)模型是相對(duì)于支架和測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)的；二是試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话惚环譃榍?、后兩段，模型與天平連接方式不同于常規(guī)試驗(yàn)；三是模型細(xì)長(zhǎng)，常規(guī)天平難以實(shí)現(xiàn)載荷匹配、獲得理想的信號(hào)輸出。
[0004]《實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)》于2014年2月在《2.4米X 2.4米跨聲速風(fēng)洞虛擬飛行試驗(yàn)天平研制》一文中公開(kāi)了一種四分量的虛擬飛行試驗(yàn)天平，僅能粗略的測(cè)量出升力、俯仰力矩、側(cè)向力和偏航力矩四個(gè)分量，采用了簡(jiǎn)單的四柱梁作為彈性敏感元件，橫向剛度很小，非常容易損壞，尤其無(wú)法測(cè)量滾轉(zhuǎn)力矩和阻力，并且固定端采用非對(duì)稱(chēng)法蘭結(jié)構(gòu)，增大了靠近法蘭連接端的裝配應(yīng)力干擾，測(cè)量準(zhǔn)度不高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型為了解決氣動(dòng)、運(yùn)動(dòng)耦合研究的測(cè)力試驗(yàn)中分段模型中部支撐時(shí)的六分量氣動(dòng)力測(cè)量問(wèn)題，提供一種雙端測(cè)力裝置及測(cè)量方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種雙端測(cè)力裝置，包括固定端、連接端和測(cè)試段，所述固定端的兩端分別連接一個(gè)測(cè)試段，所述兩個(gè)測(cè)試段的另一端分別連接一個(gè)連接端；所述測(cè)力裝置的固定端、測(cè)試段和連接端為一體結(jié)構(gòu)；所述測(cè)力裝置內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，兩個(gè)連接端內(nèi)部的中空空間分別內(nèi)設(shè)置有軸承，軸承的外圍與連接端內(nèi)壁固定，轉(zhuǎn)軸的一端從一個(gè)連接端的軸承內(nèi)穿入、從另一個(gè)連接端的軸承內(nèi)穿出；所述測(cè)試段內(nèi)部設(shè)置有敏感元件。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述測(cè)力裝置內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)為同軸中空結(jié)構(gòu)。
[0009]在上述技術(shù)方案中，所述測(cè)試段為六分量應(yīng)變天平。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述敏感元件設(shè)置在中空結(jié)構(gòu)的四周。
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述敏感元件為“米”字梁的彈性敏感元件用于提高滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量靈敏度。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述敏感元件為“I”型梁的彈性敏感元件用于提高阻力測(cè)量靈敏度。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述轉(zhuǎn)軸為柔性轉(zhuǎn)軸，所述柔性轉(zhuǎn)軸或?yàn)椴y管。
[0014]一種雙端測(cè)力方法，該方法為:
[0015]將雙端測(cè)力裝置的固定端與風(fēng)洞支撐裝置固定連接；
[0016]將被測(cè)模型切開(kāi)為兩段，被切開(kāi)的兩段模型的切開(kāi)處分別連接在雙端測(cè)力裝置中轉(zhuǎn)軸的兩端；
[0017]被切開(kāi)的兩端模型在轉(zhuǎn)軸和軸承的作用下實(shí)現(xiàn)同步滾轉(zhuǎn)，測(cè)力裝置上的兩個(gè)測(cè)試段將所受力轉(zhuǎn)化為電壓輸出信號(hào)；
[0018]采集測(cè)力裝置上兩個(gè)測(cè)試段上的電壓輸出信號(hào)，代入校準(zhǔn)公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在兩段模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的作用點(diǎn)、大小和方向。
[0019]本實(shí)用新型中，測(cè)力裝置的固定端兩端的測(cè)試段分別為前段天平和后段天平，與前段天平連接的連接端為前段模型連接端，與后段天平連接的連接端為后段模型連接端；所述的前段天平和后段天平為六分量應(yīng)變天平，分別采用“米”字梁和“I”形梁作為彈性敏感元件，其具體尺寸不同，它們通過(guò)固定端與風(fēng)洞支撐裝置相連，所述的前段模型連接端和后段模型連接端通過(guò)軸承及其內(nèi)部的柔性轉(zhuǎn)軸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓岸魏秃蠖畏謩e相連；所述的測(cè)力裝置是一整塊鋼材加工而成，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，安裝有軸承和柔性轉(zhuǎn)軸用于支撐前段模型和后段模型；所述的固定端被前段天平和后段天平共用，設(shè)置有定位銷(xiāo)孔。
[0020]前段天平和后段天平試驗(yàn)前在地面進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得它們相互干擾系數(shù)以及軸承引起的誤差，最終合成一套綜合的校準(zhǔn)公式；試驗(yàn)時(shí)通過(guò)采集系統(tǒng)同時(shí)采集前段天平和后段天平的電壓輸出信號(hào)，代入校準(zhǔn)公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在前段模型與后段模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的作用點(diǎn)、大小和方向；所述的前段天平和后段天平設(shè)計(jì)成六個(gè)分量，其結(jié)構(gòu)形式或尺寸不同，根據(jù)前段模型和后段模型所受氣動(dòng)力載荷確定。
[0021]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0022]1、本實(shí)用新型的雙端測(cè)力裝置可實(shí)現(xiàn)分段模型伴隨滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)力動(dòng)態(tài)測(cè)量，適用于彈類(lèi)模型的氣動(dòng)/運(yùn)動(dòng)耦合測(cè)力特種試驗(yàn)。
[0023]2、突破了此類(lèi)天平四分量測(cè)量限制，最多可以測(cè)量六個(gè)分量，尤其能夠測(cè)量小滾轉(zhuǎn)力矩和阻力。
[0024]3、“米”字梁和“I”形梁作為彈性敏感元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度大，承載能力強(qiáng)，便于加工。
[0025]4、雙端測(cè)力裝置的測(cè)量方法簡(jiǎn)單，可以同時(shí)測(cè)量分段模型的氣動(dòng)合力與力矩，為飛行器運(yùn)動(dòng)控制提供實(shí)時(shí)的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。
[0026]本實(shí)用新型解決了特種試驗(yàn)中分段模型同時(shí)進(jìn)行六分量測(cè)力的問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于吊架支撐、張線(xiàn)支撐、腹支撐方式等模型中部支撐方式的風(fēng)洞特種復(fù)雜氣動(dòng)/運(yùn)動(dòng)耦合測(cè)力試驗(yàn)中。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]本實(shí)用新型將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
[0028]圖1是本實(shí)用新型的雙端測(cè)力裝置及測(cè)量方法主視圖；
[0029]圖2是本實(shí)用新型的雙端測(cè)力裝置及測(cè)量方法俯視圖；
[0030]圖3是圖2的A-A剖視圖；
[0031]圖4是圖3的B-B剖視圖；
[0032]圖5是圖3的C-C剖視圖；
[0033]圖中:I是前段模型連接端，2是前段天平，21是“米”字梁，22是“ I ”形梁，3是固定端，4是后段天平，5是后段模型連接端。

【具體實(shí)施方式】
[0034]如圖1所示，本實(shí)用新型所述的雙端測(cè)力裝置，主要包括前段模型連接端、前段天平、固定端、后段天平和后段模型連接端組成，所述的前段天平和后段天平為六分量應(yīng)變天平，分別采用“米”字梁和“I”形梁作為彈性敏感元件，其具體尺寸不同，它們通過(guò)固定端與風(fēng)洞支撐裝置相連。所述的前段模型連接端和后段模型連接端通過(guò)軸承以及內(nèi)部的柔性轉(zhuǎn)軸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓岸魏秃蠖畏謩e相連，實(shí)現(xiàn)模型的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述的測(cè)力裝置是一整塊鋼材加工而成，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，安裝有軸承和柔性轉(zhuǎn)軸用于支撐前段模型和后段模型，柔性轉(zhuǎn)軸的作用是連接前段模型和后段模型，盡可能不將分段模型所受的除滾轉(zhuǎn)力矩外的氣動(dòng)力傳遞到對(duì)應(yīng)天平上造成干擾；所述的固定端被前段天平和后段天平共用，設(shè)置有定位銷(xiāo)孔，通過(guò)銷(xiāo)釘定位，“抱箍”方式緊固，保證其連接可靠，安裝拆卸方便。
[0035]雙端測(cè)力裝置的測(cè)量方法，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟為:將固定端與風(fēng)洞支撐裝置相連，銷(xiāo)釘定位、“抱箍”上用螺栓固緊；所述的前段模型連接端通過(guò)軸承內(nèi)的柔性轉(zhuǎn)軸與前段模型相連，用于支撐前段模型，并將前段模型主要?dú)鈩?dòng)力載荷傳遞到前段天平上進(jìn)行測(cè)量；后段模型連接端通過(guò)軸承內(nèi)的柔性轉(zhuǎn)軸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蠖蜗噙B，用于支撐模型后段，并將后段模型主要?dú)鈩?dòng)力載荷傳遞到后段天平上進(jìn)行測(cè)量；前段模型與后段模型通過(guò)軸承內(nèi)部的柔性轉(zhuǎn)軸連接，實(shí)現(xiàn)模型滾轉(zhuǎn)；
[0036]前段天平和后段天平試驗(yàn)前在地面進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得它們相互干擾系數(shù)以及軸承引起的誤差，最終合成一套綜合的校準(zhǔn)公式；
[0037]試驗(yàn)時(shí)通過(guò)采集系統(tǒng)同時(shí)采集前段天平和后段天平的電壓輸出信號(hào)，代入校準(zhǔn)公式計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在前段模型與后段模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的作用點(diǎn)、大小和方向；
[0038]所述的前段天平和后段天平最多可設(shè)計(jì)成六個(gè)分量，其結(jié)構(gòu)形式或尺寸不同，根據(jù)前段模型和后段模型所受氣動(dòng)力載荷確定。
[0039]天平基于“應(yīng)變天平”測(cè)量原理，對(duì)于所述的前段天平，前段試驗(yàn)?zāi)Ｐ退軞鈩?dòng)力通過(guò)柔性轉(zhuǎn)軸及軸承傳遞到前段模型連接段，因柔性轉(zhuǎn)軸剛度小，大部分力和力矩都傳遞到前段天平的測(cè)量元件上，粘貼在測(cè)量元件上的惠斯通電橋不平衡而輸出電壓信號(hào)，通過(guò)天平校準(zhǔn)得到測(cè)量元件的主項(xiàng)系數(shù)和測(cè)量元件各分量的干擾系數(shù)計(jì)算出前段模型所受氣動(dòng)力；小部分力和力矩經(jīng)過(guò)柔性轉(zhuǎn)軸傳遞到另一端的后段天平的測(cè)量元件上，粘貼在測(cè)量元件上的惠斯通電橋輸出電壓信號(hào)，這是前段天平對(duì)后段天平的干擾，通過(guò)天平校準(zhǔn)得到干擾系數(shù)修正計(jì)算結(jié)果。所述的后段天平的測(cè)量原理及過(guò)程與前段天平相同，在天平校準(zhǔn)時(shí)，前段天平和后段天平的所有分量的差分直流電壓信號(hào)同時(shí)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，天平校準(zhǔn)完畢后得到一套包含所有分量的天平工作公式。
[0040]參看圖1和圖2，本實(shí)用新型的雙端測(cè)力裝置是一種中部為固定端、前段天平和后段天平兩臺(tái)天平公用固定端的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)有前段模型連接端和后段模型連接端，并將氣動(dòng)力與力矩傳遞到所述的前段天平和后段天平進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量。
[0041]參看圖3，本實(shí)用新型所述的雙端測(cè)力裝置其內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置的軸承及其內(nèi)部的柔性轉(zhuǎn)軸連接，實(shí)現(xiàn)模型滾轉(zhuǎn)和氣動(dòng)力與力矩的傳遞。擇優(yōu)的，在前段模型連接端和后段模型連接端內(nèi)部分別設(shè)置有兩組角接觸球軸承，并且柔性轉(zhuǎn)軸穿過(guò)軸承，在其兩端分別與前段模型與后段模型連接。擇優(yōu)的，所述的柔性轉(zhuǎn)軸可設(shè)計(jì)成波紋管連接的兩段，通過(guò)波紋管與前段天平和后段天平的剛度匹配設(shè)計(jì)，使柔性轉(zhuǎn)軸主要傳遞滾轉(zhuǎn)力矩而基本不傳遞其它五個(gè)分量的力和力矩。
[0042]圖4是圖3中B-B剖視圖，是所述的前段天平的升力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩、側(cè)力及偏航力矩測(cè)量元件。擇優(yōu)的，選擇“米”字梁作為彈性敏感元件，以增強(qiáng)天平的剛度和滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量靈敏度。
[0043]圖5是圖3中C-C剖視圖，是所述的前段天平的阻力測(cè)量元件。擇優(yōu)的，選擇“I”型梁作為彈性敏感元件，以提高阻力測(cè)量靈敏度。
[0044]所述的后段天平的測(cè)量元件的位置關(guān)系與測(cè)量原理與所述的前段天平類(lèi)似，一般根據(jù)后段模型CFD估算的載荷確定具體尺寸和結(jié)構(gòu)，后段天平的測(cè)量元件所承受的載荷比前段天平承受的載荷要大，需要選擇剛度大，抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)量元件。
[0045]所述的前段天平和后段天平設(shè)置有獨(dú)立的電氣設(shè)計(jì)中心，分別位于各自的阻力測(cè)量元件對(duì)稱(chēng)中心上。天平的校準(zhǔn)中心盡量靠近電氣設(shè)計(jì)中心，以減小附加力矩對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。
[0046]在完成本實(shí)用新型所述的雙端測(cè)力裝置變計(jì)粘貼后、天平校準(zhǔn)前要對(duì)天平進(jìn)行組裝，具體過(guò)程是:先將一組角接觸球軸承套在柔性轉(zhuǎn)軸有軸肩的一端，再將柔性轉(zhuǎn)軸插入所述的雙端測(cè)力裝置，安裝軸承端蓋，然后將另一組角接觸球軸承套在柔性轉(zhuǎn)軸前端并推入所述的雙端測(cè)力裝置內(nèi)，將軸套套在柔性轉(zhuǎn)軸上推入所述的雙端測(cè)力裝置內(nèi)，最后安裝軸承端蓋。必要時(shí)，需要在軸承端蓋安裝前加裝調(diào)整墊片，以保證安裝位置。天平各分量電橋線(xiàn)路沿所述的雙端測(cè)力裝置的走線(xiàn)槽從固定端引出。
[0047]風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)過(guò)程中，前段天平和后段天平同時(shí)受力和力矩作用，各分量輸出的電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，通過(guò)天平工作公式將電壓信號(hào)換算為氣動(dòng)力絕對(duì)值，最終計(jì)算出模型所受的氣動(dòng)合力與力矩。
[0048]在阻力測(cè)量時(shí)，由于柔性轉(zhuǎn)軸主要傳遞滾轉(zhuǎn)力矩，因此前段天平和后段天平相互干擾很小，既解決了阻力測(cè)量困難，又提高了測(cè)量的準(zhǔn)度。
[0049]在滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量時(shí)，如果利用前段模型內(nèi)部的電磁離合器控制柔性轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，那么測(cè)量結(jié)果為模型所受的滾轉(zhuǎn)力矩以及測(cè)量軸承的滾轉(zhuǎn)摩擦力產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩之和；如果模型自由勻速自由滾轉(zhuǎn)，則可以測(cè)量軸承的滾轉(zhuǎn)摩擦力產(chǎn)生的滾轉(zhuǎn)力矩，用于修正數(shù)據(jù)，獲得更加精確的氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩；如果模型加速自由滾轉(zhuǎn)，還可以獲得慣性滾轉(zhuǎn)力矩。
[0050]本實(shí)用新型并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組口 ο
[0051]模型連接端不是直接通過(guò)軸承與模型相連接，這里的連接關(guān)系是這樣的:模型連接端與軸承外圈連接，軸承內(nèi)圈與柔性轉(zhuǎn)軸連接，柔性轉(zhuǎn)軸的兩端分別連接模型，因此軸承與模型是不直接聯(lián)系的，是通過(guò)內(nèi)部穿入的柔性轉(zhuǎn)軸連接模型的。
【權(quán)利要求】
1.一種雙端測(cè)力裝置，包括固定端、連接端和測(cè)試段，所述固定端的兩端分別連接一個(gè)測(cè)試段，所述兩個(gè)測(cè)試段的另一端分別連接一個(gè)連接端；其特征在于所述測(cè)力裝置的固定端、測(cè)試段和連接端為一體結(jié)構(gòu)；所述測(cè)力裝置內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，兩個(gè)連接端內(nèi)部的中空空間分別設(shè)置有軸承，軸承的外圍與連接端內(nèi)壁固定，轉(zhuǎn)軸的一端從一個(gè)連接端的軸承內(nèi)穿入、從另一個(gè)連接端的軸承內(nèi)穿出；所述測(cè)試段內(nèi)部設(shè)置有敏感元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征在于所述測(cè)力裝置內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)為同軸中空結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征在于所述測(cè)試段為六分量應(yīng)變天平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征在于所述敏感元件設(shè)置在中空結(jié)構(gòu)的四周。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征在于所述敏感元件為“米”字梁的彈性敏感元件用于提高滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量靈敏度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征在于所述敏感元件為“I ”型梁的彈性敏感元件用于提高阻力測(cè)量靈敏度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙端測(cè)力裝置，其特征為所述轉(zhuǎn)軸為柔性轉(zhuǎn)軸，所述柔性轉(zhuǎn)軸或?yàn)椴y管。
【文檔編號(hào)】G01M9/06GK204085839SQ201420536063
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】向光偉, 謝斌, 趙忠良, 吳軍強(qiáng), 王超, 余立, 苗磊, 毛代勇 申請(qǐng)人:中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所