一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，试验装置包括支撑架、两个天平和两个支杆，所述支撑架由底座、框架和滑轨组成，所述底座上设置有一个滑轨A，所述框架上与滑轨A的900交叉方向上设置有滑轨B；所述两个天平分别安装在滑轨A与滑轨B的滑道内；所述天平上分别连接一个支杆；本实用新型可以实现对单个及多个柔性物体相互作用下的动态测力，测力时利用高速摄影系统还可以同步对柔性物的摆动过程进行拍摄，满足柔性物测力要求。
【专利说明】—种用于低速风洞柔性物测力的试验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及风洞测力试验领域，尤其是涉及一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置。
【背景技术】
[0002]柔性物在空气中随风飘动是最常见的自然现象之一，也是一个典型的流固耦合问题。类似的流固耦合现象在日常生活和工农业生产中随处可见。例如，造纸和印刷业中高速运动的纸张或薄膜不稳定后会撕破，口腔软腭与呼吸气流作用会引起人体打鼾，飞机空中加油管的稳定性影响输油的成败，甚至自然界中鱼类的游动、鸟类的飞行都是柔性体与流体耦合运动的例子。这样一类典型的流固耦合问题由于其固有的非线性特征，近年来引起国内外学者的广泛研究兴趣。
[0003]测量柔性物在气流中失稳摆动时的受力有以下难点:柔性物的受力是动态变化的，对测力元件的动态频响有一定要求；柔性物受力量级较小(一般为几十到几百克)，对测力元件的灵敏度有较高要求；柔性物模型自身会发生摆动，因此模型支撑机构既要避免共振又要尽量减小对流场的干扰也是一个难题。
[0004]针对低速风洞中常规试验装置无法实现对柔性板等柔性物测力的难题，设计了一套用于低速风洞柔性物测力的试验装置。该装置通过高速数字摄影仪和自行编制的图像处理软件测量柔性板的振动频率、振幅和振型，通过小型天平测量柔性板的受力状况，该装置为深入研究柔性板在均匀气流中的流固耦合现象提供了一种手段。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种试验装置，使得该装置能在低速风洞中对柔性物的摆动进行动态测量，并进行分析。
[0006]本实用新型采用的技术方案是:用于低速风洞柔性物测力的试验装置，包括支撑架、两台应变天平和两根支杆，所述支撑架由底座、框架和滑轨组成，所述底座上设置有一个滑轨A，所述框架上与滑轨A的90°交叉方向上设置有滑轨B;所述两台天平分别安装在滑轨A与滑轨B的滑道内；所述天平上分别连接一根支杆，所述支杆的一端设置有柔性物。
[0007]在上述技术方案中，所述支杆采用整体加工而成，支杆型面为流线型，支杆的一端为固定端，支杆的另一端为夹持端，所述夹持端设置有柔性物。
[0008]在上述技术方案中，所述支杆固定端为圆柱形，夹持端的截面为翼型，中间为圆柱到翼型的渐进过渡段。
[0009]在上述技术方案中，所述夹持端沿对称面设置有用于夹持安装的狭缝。
[0010]在上述技术方案中，所述天平与支杆之间通过法兰连接。
[0011]在上述技术方案中，所述天平在滑轨内无极滑动，且能在滑轨内任意位置固定。
[0012]一种低速风洞柔性物的测力方法，风洞气流施加在支杆夹持端柔性物上气动力通过支杆作用到天平上，天平受力导致输出电压信号变化，数据采集装置对天平电压信号进行采集与处理，得到柔性物的气动载荷信息。
[0013]在上述方法中，在测力的同时利用高速摄影系统对柔性物的摆动过程进行拍摄，得到一系列柔性物摆动随时间演化的照片，沿柔性物某位置截取宽度为一像素的窄条图像，将这些窄条图像按时间序列组合成一幅图像，就得到柔性物在该位置的位移-时间演化图片，进行处理后可以得到图片各位置位移随时间的变化曲线，对该曲线进一步分析可以得到柔性物摆动的频率和振幅信息。
[0014]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:利用该试验装置可以实现对单个及多个柔性物体相互作用下的动态测力，测力时利用高速摄影系统还可以同步对柔性物的摆动过程进行拍摄，进而可以得到柔性物的振幅、振动频率、振型等信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0016]图1是本实用新型的应用实例图；
[0017]图2是天平与支杆的结构示意图；
[0018]图3是天平的侧向力(升力)曲线；
[0019]图4是天平的法向力(阻力)曲线；
[0020]图5是天平的滚转力矩曲线；
[0021]其中:1是风洞，2是支撑架，3是激光光源，4是支杆，5是天平，6是高速摄影仪，7是天平底座。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，本实用新型所述的试验装置由支撑架2和安装在支撑架2上的天平5和支杆4组成；支撑架2由底座、框架和滑轨组成，滑轨包括滑轨A与滑轨B，其中框架设置在底座上方并与底座连接在一起，框架与底座表面平行的部分设置为滑轨A,与滑轨A成90°交叉方向设置有一根滑轨B，且滑轨B设置在底座表面上。如图2所示，支杆4由铝合金材料整体加工而成，为兼顾强度并尽量减小对流场的影响，支杆4型面设计成流线型，支杆4固定端为圆柱,模型夹持端截面为NACA0020翼型，翼型弦长25mm,最大厚度5mm,支杆4的中段为圆柱到翼型的渐进过渡段，支杆模型夹持端沿对称面加工了宽1mm、深150mm的狭缝，用于柔性旗的夹持安装；天平5通过天平底座6安装设置在滑轨中，本实用新型采用两台天平，在滑轨A与滑轨B中各自设置一台天平；天平5与支杆4之间通过法兰连接，以保证支杆4和天平5之间的同轴度；天平5的底座通过滑块可以在滑轨中做无极滑动，并在任意位置固定，通过改变相对安装位置就可以实现双旗并行、串行、前后交错排列状态下的受力测量，并可调整其间距大小。
[0023]本实用新型中的天平5为三分量杆式应变测力天平，长度125mm，直径15mm，天平三个分量应变单元采用串联式结构，三个分量分别为天平轴系下的侧向力(Fy)、法向力(Fx)、滚转力矩(Mx)。
[0024]如图1所示，将组装好的试验装置通过固定支撑架到风洞I中，试验时，两台天平8分别安装在两根相互垂直的铝型材滑轨上，通过改变天平底座6的滑块在滑轨上的相对位置，可以改变双旗模型的左右及前后距离，从而可以实现双旗并排、串行、交错状态下的受力测量。
[0025]数据采集系统由信号调理设备、数据采集卡、采集计算机及软件、配套电源等部分组成；柔性物模型安装在支杆4上，风洞气流施加在模型上的气动力通过支杆4作用到天平5上，导致天平5输出电压信号的变化，天平信号通过数据采集系统进行采集和处理，最后得到柔性物的气动载荷信息。试验中数据采集系统获取的天平载荷电压信号，先经低通滤波后代入天平公式转换后得到三个分量的载荷曲线。
[0026]为了同时获取柔性物的摆幅、频率、摆动形态等信息，在测力的同时还利用高速摄影系统对柔性物的摆动过程进行拍摄，对高速摄影图像进行处理就可以获取相应的运动学信息。高速摄影系统由高速摄影仪6、激光光源3及相应的控制计算机等部分组成。用高速摄影仪6拍到一系列柔性物摆动随时间演化的照片，在图片中沿柔性物某位置截取宽度为一像素的窄条图像(相当于在狭缝后面观察柔性物的摆动)，将这些窄条图像按时间序列组合成一幅图像，就得到柔性板在该位置的位移-时间演化图片，对其做进一步的数字化处理，可以得到图片各位置的位移-时间变化曲线，对该曲线进一步分析可以得到柔性物摆动的频率和振幅信息。试验中拍摄图像分辨率为1280piXelX512piXel，拍摄频率为1000FPS。
[0027]为验证系统的可靠性，进行了验证性试验；给出了 SOmmX80mm柔性旗，风洞风的来流速度11.75m/s时的一些典型试验结果:
[0028]由图3、图4、图5可以看出，柔性物三个力分量的变化曲线按正弦规律变化。分别对阻力、升力、力矩曲线进行频谱分析，升力和力矩的变化频率是36.8Hz，阻力变化频率为73.6Hz，为升力频率的2倍。对高速摄影得到的位移-时间演化曲线进行频谱分析，得到的频率为36.8Hz，和测力试验结果完全一致。
[0029]上述情况说明，本实验系统测力实验结果可以和高速摄影实验结果互相验证，试验结果规律合理，测试系统可以满足柔性物测力要求。
[0030]本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。
[0031]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为包括支撑架、两台天平和两根支杆，所述支撑架由底座、框架和滑轨组成，所述底座上设置有一个滑轨A，所述框架上与滑轨A的90°交叉方向上设置有滑轨B ;所述两个天平分别安装在滑轨A与滑轨B的滑道内；所述天平上分别连接一根支杆，所述支杆的一端设置有柔性物。
2.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为所述支杆采用整体加工而成，支杆型面为流线型，支杆的一端为固定端，支杆的另一端为夹持端，所述夹持端设置有柔性物。
3.根据权利要求2所述的一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为所述支杆从固定端为圆柱形，夹持端的截面为翼型。
4.根据权利要求3所述的一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为所述夹持端沿对称面设置有用于夹持安装的狭缝。
5.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为所述天平与支杆之间通过法兰连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于低速风洞柔性物测力的试验装置，其特征为所述天平在滑轨内无极滑动，且能在滑轨内任意位置固定。
【文档编号】G01M9/06GK204043884SQ201420372386
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】孙传宝, 张鑫, 耿子海, 倪章松, 宋道军, 张鹏, 周晓飞, 刘江涛, 孙福振, 汪军, 李 东, 姜裕标, 李进学, 马国辉, 孙海生 申请人:中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所