一种风洞试验模型的俯仰转动惯量地面模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种俯仰转动惯量地面模拟装置。

背景技术：

现代先进布局飞机和导弹外形趋于复杂化，要求可用飞行攻角范围更宽、机动性能更高。新型飞行器的研制需要更加精确可靠的俯仰/偏航动导数作为支撑。飞行器的俯仰/偏航动导数是飞行器动稳定性分析及飞行品质评估、飞行弹道仿真、控制系统设计所需的重要参数，获取动导数数据的主要手段有理论计算、飞行试验和风洞试验等。其中动导数风洞试验以试验精度较高、试验状态与飞行试验相似、试验现象可复现等诸多原因，成为当前获得动导数的主要技术手段。当采用自由振动法进行俯仰或偏航动导数风洞试验时，天平一端与模型通过锥形面固连，天平另一端与外部支撑设备固连，通过天平形变梁上的应变片测出模型在系统机械阻尼、气动阻尼和天平刚度作用下的俯仰角/偏航角曲线，经过数据处理后获得俯仰/偏航动导数。

在自由振动动导数风洞试验中，模型的转动惯量对模型的振频率和动导数测量结果有较大影响。模型转动惯量过高将导致模型振动频率过低，影响模型减缩频率的相似性；同时导致系统机械阻尼过高，降低模型动导数的测量精度，因此急需在风洞试验前预估模型转动惯量的合理范围。常规做法是参考以往试验经验确定模型转动惯量，在模型加工完成后再测试转动惯量是否满足要求。该方法是一种后验方法，设计的模型转动惯量可能不在合理范围；此外该方法的有效性受个人经验影响显著。如何建立一套结构简单、安装方便的试验装置，在试验模型加工前预估其转动惯量，是动导数风洞试验亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本实用新型提出一种风洞试验模型的俯仰转动惯量地面模拟装置，在地面上模拟模型在不同质量分布时的俯仰转动惯量。

本实用新型所采用的技术方案是：一种风洞试验模型的俯仰转动惯量地面模拟装置，包括套筒、标尺、砝码和天平；砝码分别安装在套筒两端，在套筒上沿套筒轴线滑动；标尺固定在套筒外侧壁上，分别关于套筒中心横截面对称且一端与套筒端部平齐，用于测量砝码相对于其所在套筒安装端端面的轴向距离；天平安装在套筒内部，一端与套筒内部支撑结构固定连接，另一端与外部支撑机构固连，中部应变梁表面粘贴用于测量天平形变量的应变片。

所述套筒为圆筒结构，内部支撑结构通过锥形配合面与天平一端配合固定，外部外表面两端切削出用于安装标尺的平台。

所述砝码包括紧固段和配重段；配重段为沿中心轴开有通孔的圆柱体结构；紧固段位于配重段一端端面，为沿配重段通孔端口边缘的凸起圆环；紧固段轴向中部开有螺纹孔，螺纹孔相对紧固段轴线对称。

所述砝码与套筒同轴，两者之间配合面为间隙配合，砝码通过紧定螺钉与套筒间实现固定。

所述天平两端分别为圆锥结构，通过“Z”字梁、应变梁连接两端圆锥结构，“Z”字梁刚度大于应变梁。

所述应变梁有两根，为杆状结构，两根应变梁关于天平两个圆锥结构的轴线对称。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

(1)本实用新型采用套筒、标尺、砝码、天平及支撑机构等组成，在地面试验中通过套筒-砝码装置模拟风洞试验模型在不同质量分布时的俯仰转动惯量，通过天平数据采集系统采集套筒绕天平中心的振动角信号，并结合天平的标定系数获得套筒的转动惯量和其对应的模拟装置振动频率、机械阻尼；

(2)本实用新型的砝码可沿套筒轴向滑动，并通过标尺定位，可定量改变模拟装置的转动惯量，能够实现在底面环境下对不同质量分布时的转动惯量的模拟，可靠性高；

(3)本实用新型结构简单、安装方便、能够在地面试验中精确模拟一系列俯仰转动惯量的变化，为风洞试验振动频率和机械阻尼的预估提供有效的地面试验手段，有明确的工程应用价值。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型砝码的结构示意图；

图3为本实用新型的结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

一种风洞试验模型的俯仰转动惯量地面模拟装置，如图1、图3所示，包括套筒1、标尺2、砝码3和天平4；

套筒1为薄壁回转体结构，内腔轴线位置有锥形配合面，外部外表面两端切削出平台，用于安装标尺2；两个标尺2对称固定于套筒1外表面平台上，用于测量砝码3相对于其所在套筒1安装端端面的轴向距离；两个砝码3安装于套筒1两端外表面，沿套筒轴向移动改变套筒-砝码的转动惯量，模拟不同的俯仰转动惯量；天平4置于套筒内部，一端通过锥形配合面与套筒1固连，另一端通过锥形配合面与外部支撑机构固连，天平4中部由一根“Z”字梁和两根应变梁连接两端锥体。“Z”字梁刚度高，用于减小偏航和滚转方向的天平变形，应变梁刚度低，表面贴有应变片，用于测量天平4的变形信号。应变梁为杆状结构，两根应变梁关于天平4两个圆锥结构的轴线对称。

如图1所示，砝码3与套筒1的中心共轴线，配合面为间隙配合，采用紧定螺钉固定。

如图2所示，砝码3包括紧固段31和配重段33；配重段33为沿中心轴开有通孔的圆柱体结构，紧固段31位于配重段33一端端面，为沿配重段33通孔端口边缘的凸起圆环，螺纹孔32位于紧固段31轴向中部，相对于轴线对称分布有两个螺纹孔32。

地面试验时，首先将套筒1两侧砝码3沿套筒1轴向滑动，并通过标尺2定位后，在螺纹孔32中旋入紧定螺钉，使其与套筒1固定；之后拨动套筒1，使得套筒1和砝码3绕天平4中心振动；通过外部数据采集设备采集天平4应变片的变形信号，并结合天平4的标定系数，计算套筒1的俯仰角，通过俯仰角振动频率计算模拟装置的俯仰转动惯量，表达式如式(1)所示。

其中，I为模拟装置的俯仰转动惯量，K为天平刚度系数，ω_sp为俯仰角振动频率。

最后通过俯仰角幅值包络线计算模拟装置的的机械阻尼。

调节砝码3相对于套筒1的轴向位置后重复上述试验，获得在不同标尺2数值下模拟装置的转动惯量和其对应的俯仰角振动频率、机械阻尼；形成标尺读数、模拟装置转动惯量、振动频率、机械阻尼的试验数据表。

将试验数据表用于风洞试验模型设计，首先根据减缩频率相似原则确定风洞试验模型所需的俯仰角振动频率，选取模拟装置试验数据表中满足振动频率的数据集；之后从该数据集中选取机械阻尼最小的数据点作为设计点，在风洞试验模型设计时按照设计点对应的模拟转动惯量设计风洞试验模型的转动惯量。

本实用新型结构简单、安装方便、能够在地面试验中精确模拟一系列俯仰转动惯量的变化，为风洞试验的振动频率和机械阻尼预估提供有效的试验手段。

本实用新型未公开内容为本领域技术人员公知常识。