一种浮动框型风洞应变天平的制作方法

本发明涉及一种亚跨超声速风洞六分量测力天平，尤其涉及一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术：

风洞天平是风洞测力试验中最核心的测量设备，用于获取作用于试验模型上气动载荷的大小和作用点。随着飞行器研制技术及风洞试验技术的不断发展，其对风洞天平的测量精准度、承载能力、刚度、响应频率等方面提出了更高的要求：例如，针对张带支撑试验技术，要求天平具有较高的承载能力，同时天平-支撑系统还需具备较高的系统刚度；再如，针对矢量测力、喷流试验技术，要求天平既要具有较高的测量精准度和刚度，同时天平内部还可实现通气系统的布置。

目前，常规内式六分量应变天平由于结构特点的限制，其载荷容量已趋于极限：国内常用的风洞天平，其特点是天平为整体结构，为满足天平测量灵敏度及力的机械结构分解要求，材料体切割比较严重，其承载能力及刚度也受到较大的影响。同时，针对矢量测力、喷流试验技术，该种结构形式也不易实现天平内部通气系统的布置需求。针对上述问题，国外对于高承载能力的天平作了大量研究，提出了基于浮框结构的新型天平设计，该设计以拉压变形为主要变形测量形式，并采用装配及焊接型式为总体的结构构成，有效提高了同尺寸天平的承载能力、刚度及测量精准度；另外，国内各研究机构针对具体试验也作了一定的研究尝试。但上述研究均不同程度存在研制周期长、成功率低、成本高、加工复杂、装配误差大及测量效果不佳等问题。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的上述不足，针对在某些大载荷测量风洞试验时，现有常规天平承载能力弱、刚性差以及专用天平研制成本高、加工复杂、装配误差大、测量效果不佳等问题，提供一种承载能力、刚度高及测量精准度高的浮动框型大载荷容量风洞应变天平，本发明结构简单、成本低、易于加工和组装、通用性好。

本发明的技术解决方案是：一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，包括第一内轴、浮动框体、第二内轴；第一内轴与第二内轴刚性固定连接后作为天平的支撑部分，所述的浮动框体作为测量部分，为环状结构，包括弹性测量元件组、前固定段、后固定段和模型端；前固定段、后固定段分别与第一内轴、第二内轴刚性固定连接，模型端用于安装试验模型，模型端的前后两侧通过弹性测量元件组分别与前固定段、后固定段连接，弹性测量元件组和模型端的内径大于位于其内部的第一内轴及第二内轴的外径，即浮动框体的弹性测量元件组和模型端能够沿轴向、周向和滚转方向自由变形移动，通过测量弹性测量元件组的应变实现试验模型载荷的测量。

优选的，通过在所述的弹性测量元件组上贴应变片并组成惠斯通电桥，实现弹性测量元件组应变的测量。

优选的，所述弹性测量元件组包含八个相同的弹性测量元件，每四个一组周向均匀布置在模型端的前后两侧，相邻两个弹性测量元件之间通过首尾交替的连接方式分别与模型端、前固定段/后固定段连接。

优选的，所述的弹性测量元件包括依次设置的第一片梁组、“横π”型测量梁和第二片梁组，所述第一片梁组和第二片梁组分别包含至少三个相同的片梁。

优选的，所述的第一片梁组和第二片梁组的最外侧片梁外表面上敷贴应变片，“横π”型测量梁的上、下表面分别敷贴应变片。

优选的，所述八个弹性测量元件的“横π”型测量梁的布置方向按下述方式：每组弹性测量元件的“横π”型测量梁的方向交替布置，且在相同周向位置的前后两侧弹性测量元件的“横π”型测量梁的方向对称布置。

优选的，所述的第一内轴为旋成体结构，包括连接锥段、前端面、前配合段、中间柱段和第一配合柱段；

优选的，所述第二内轴为旋成体结构，包括连接柱段、后端面、后配合段和第二配合柱段，所述第二配合柱段上沿轴向还开有圆柱孔；所述的前配合段、后配合段分别用于与前固定段、后固定段配合连接，通过电子束焊接方式实现所述的前端面、后端面与前固定段、后固定段之间的刚性固定连接；第一配合柱段与第二配合柱段之间通过柱配合方式连接并通过定位销实现连接固定。

优选的，所述第一内轴、浮动框体和第二内轴分别采用合金钢一体加工成型。

优选的，所述第一内轴沿轴向开有第一通孔，所述第二内轴沿轴向开有第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔的孔径相同，组装完成后，形成中空结构。

优选的，所述的弹性测量元件组和模型端的内径大于位于其内部的第一内轴及第二内轴的外径，二者之间的差值3mm～5mm。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明提供的一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，基于浮动框结构设计，减小了对结构的加工程度，天平承载能力强、刚度高，同尺寸下载荷容量较常规天平可提高约1.4～2.0倍；能够实现了天平分量间机械和电气的有效测量解耦，测量精准度高。

(2)本发明提供的一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，结构简单，且各结构件易于加工，装配误差小，研制周期短、成本低。

(3)本发明提供的一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，可广泛应用于目前亚跨超声速风洞试验中，尤其适用于张带支撑、矢量喷流等对天平的承载能力、刚度等具有更高要求的风洞试验，具有良好的实用性和推广价值。

附图说明

图1为本发明一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平的立体图。

图2为本发明一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平的剖视图。

图3为本发明的第一内轴示意图。

图4为本发明的第二内轴示意图。

图5为本发明的浮动框体示意图。

图6为图5沿a-b向的展开图。

图7为图6的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

下面结合附图1-7，对本发明的具体实施方式作详细描述。

本发明公开了一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，解决了在某些大载荷测量风洞试验时，现有常规天平承载能力弱、刚性差以及专用天平研制成本高、加工复杂、装配误差大、测量效果不佳的问题。具体的指，提供一种浮动框型大载荷容量风洞应变天平，如图1所示，包括第一内轴1、浮动框体2、第二内轴3。

第一内轴1为细长旋成体，如图3所示，采用高强度合金钢一体加工成型，包括连接锥段101、前端面102、前配合段103、中间柱段104和第一配合柱段105；

浮动框体2为细长环状结构，如图5所示，采用高强度合金钢一体加工成型，包括弹性测量元件组、前固定段209、后固定段210和模型端211；

第二内轴3为细长旋成体，如图4所示，采用高强度合金钢一体加工成型，包括连接柱段301、后端面302、后配合段303和第二配合段304，第二配合段304上还沿轴向开有圆柱孔305；

结合图1和图2，浮动框体2的前固定段209、后固定段210分别与第一内轴1的前配合段103以及第二内轴3的后配合段303刚性固定连接，并分别通过第一定位销401、第二定位销402定位；进一步地，第一内轴1的第一配合柱段105插入第二内轴3的圆柱孔305形成刚性连接，并通过第三定位销403固定，最终使第一内轴1、浮动框体2和第二内轴3形成一个整体结构。

本实施例中，优选的，为加强浮动框体2与第一内轴1、第二内轴3的连接刚度，浮动框体2的前固定段209、后固定段210分别与第一内轴1的前端面102及第二内轴3的后端面302的接触端面采用电子束沿周向焊接固定。

浮动框体2的弹性测量元件组和模型端211的内径大于第一内轴1的中间柱段104及第二内轴3的第二配合柱段304的外径，即浮动框体2的弹性测量元件组和模型端211可沿轴向、周向和滚转方向自由变形移动；风洞试验时，天平的连接锥段101、连接柱段301分别与风洞支撑刚性连接，试验模型通过模型端211与天平刚性连接，模型气动载荷通过模型端211传递至弹性测量元件组，再传递至前固定段209和后固定段210，并最终由第一内轴1和第二内轴3传递至风洞支撑，进而通过弹性测量元件组的受载变形实现对气动载荷的测量，具体优选的，通过在弹性测量元件组上敷贴应变片并组成惠斯通电桥，实现弹性测量元件组应变的测量。

弹性测量元件组包含8组相同的弹性测量元件，结合图5和图6，分别为第一测量元件201、第二测量元件202、第三测量元件203、第四测量元件204、第五测量元件205、第六测量元件206、第七测量元件207和第八测量元件208。

第一测量元件201、第二测量元件202、第三测量元件203和第四测量元件204位于浮动框体2的左侧，沿周向均匀布置，模型端211和前固定段209之间沿4个测量元件两侧交替开有通槽，相邻两个弹性测量元件之间通过首尾交替的连接方式分别与模型端211和前固定段209连接。

第五测量元件205、第六测量元件206、第七测量元件207和第八测量元件208位于浮动框体2的右侧，并沿周向均匀布置，模型端211和后固定段210之间沿4个测量元件两侧交替开有通槽，相邻两个弹性测量元件之间通过首尾交替的连接方式分别与模型端211和后固定段210连接。

第一测量元件201，结合图5、图6和图7，包含位于左、右两侧的第一片梁组2011、第二片梁组2012和位于中间的“横π”型测量梁2013；进一步地，其余7组弹性测量元件具有相同的结构组成。

本实施例中，优选的，结合图6，8组弹性测量元件的“横π”型测量梁的布置方向按下述方式：第一测量元件201、第二测量元件202、第三测量元件203和第四测量元件204沿周向反向、交替布置；第五测量元件205、第六测量元件206、第七测量元件207和第八测量元件208与在相同周向位置的左侧测量元件对称布置。

本实施例中，优选的，第一片梁组2011和第二片梁组2012分别包含3个相同的方型片梁；进一步地，结合图7，8组测量元件的第一、第二片梁组外侧片梁的外表面和“横π”型测量梁的上、下表面分别敷贴有应变片5，用于组成惠斯通电桥；

本实施例中，优选的，第一内轴1沿轴向开有第一通孔106，第二内轴3沿轴向开有第二通孔306，第一通孔106和第二通孔306的孔径相同，组装完成后，形成中空结构，用于减轻天平重量，也可用于矢量喷流试验时通气系统的布置。

工作原理如下：

本发明中，8组测量元件的第一、第二片梁组外侧片梁的外表面分别敷贴有应变片，共组成4个惠斯通电桥，分别用于测量法向力y、俯仰力矩mz、侧向力z和偏航力矩my。风洞试验时，第一、第二片梁组在法向力y、俯仰力矩mz、侧向力z或偏航力矩my的作用下产生拉、压变形，敷贴在其上的应变片感应其应变变化，并通过电桥将应变转换成电信号输出，最终通过天平静态校准公式将电信号转换为载荷值，完成该4分量气动载荷的测量。本发明中，8组测量元件的“横π”型测量梁的上、下表面分别敷贴有应变片，共组成2个惠斯通电桥，分别用于测量滚转力矩mx和轴向力x。风洞试验时，“横π”型测量梁的上、下表面在滚转力矩mx或轴向力x的作用下产生弯曲变形，敷贴在其上的应变片感应其应变变化，并通过电桥将应变转换成电信号输出，最终通过天平静态校准公式将电信号转换为载荷值，完成该2分量气动载荷的测量。

本发明中，通过弹性片梁组和“横π”型测量梁的有序搭配布置，以及合理设置“横π”型测量梁的布置方向，建立了利用测量元件的拉压变形和弯曲变形协调测量各气动载荷分量的方法，实现了分量间机械和电气的有效测量解耦，测量干扰显著降低，提高了天平的测量精准度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。上述实施方式是示例性的，在权利要求书所涉及的范围内，本发明可扩展到任何在本说明书中所披露的特种和任何新的组合，其亦属于本发明的技术范畴。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。