[发明专利]一种高精度轴向力测量风洞应变天平

说明书

本发明涉及一种高精度轴向力测量风洞应变天平，包括天平前锥、五分量测量元件、轴向力框体、轴向力测量元件、支撑片梁组、等直径过渡段和天平后锥。轴向力框体在天平设计中心开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件设置于通槽内并穿过设计中心，轴向力框体还被一条经过设计中心的前后贯通斜槽分为上下两部分，并由支撑片梁组和轴向力测量元件共同将其连接为一个整体。本发明突破了传统六分量杆式天平轴向力测量元件的结构设计和布置方法，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力测量精度，改善了轴向单元应变片长期处于恶劣的应力/应变状态，提高了天平使用稳定性。

技术领域

本发明涉及一种高精度轴向力测量风洞应变天平，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术

随着风洞试验技术的发展以及飞机、箭弹等武器的精细化设计程度越来越高，轴向力的精确测量对于风洞应变天平的研制提出了更高要求。而对于常规六分量杆式应变天平而言，轴向力测量元件的设计是其研制的难点和关键，主要原因一方面是受风洞模型内腔尺寸的限制，天平轴向力元件尺寸(直径尺寸)较小，需严格协调天平刚度、载荷匹配及轴向灵敏度输出的矛盾；另一方面，由于轴向载荷特点和测量元件设置的客观要求，其他气动力分量对轴向力测量元件有不同程度的干扰变形，需通过设计尽量避免。

目前，传统天平的轴向测量元件结构形式主要有“I”型梁、“T”型梁、横“Π”型梁等，其多对称布置于天平设计中心的外侧，通过结构优化，一定程度上减少了其他气动力分量对轴向力的干扰；但由于其偏离天平轴线布置，力矩(包括俯仰力矩Mz、偏航力矩My及滚转力矩Mx)对轴向力的干扰变形则多大于轴向力的主应变，只能通过惠斯通电桥平衡消除，从而对应变片敷贴位置要求较高，且会导致轴向单元应变片长期工作在恶劣的应力/应变状态；另外，由于天平结构自身的非对称性，干扰应变无法通过电桥完全消除，且这类干扰多非线性，使天平校准时其他分量对轴向力的干扰系数较大。上述问题限制了六分量风洞应变天平轴向力测量精度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对现有天平其他气动力分量对轴向力干扰较大的问题，提供一种高精度轴向力测量风洞应变天平，设计了一种新的轴向力测量元件结构及布置形式，彻底解决了其他气动力分量对轴向力的干扰问题，提高了轴向力的测量精度，改善了轴向单元应变片长期处于恶劣的应力/应变状态。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种高精度轴向力测量风洞应变天平，轴向力框体和轴向力测量元件；

所述轴向力框体在风洞应变天平设计中心位置开有上下贯通的通槽，轴向力测量元件形成于该通槽内；

轴向力测量元件包括第一测量梁、第二测量梁和铰链结构，所述第一测量梁与第二测量梁通过铰链结构连接，分别竖直设置在铰链结构上下两侧；铰链结构为对称结构，中心位于天平设计中心，所述第一测量梁沿天平轴线向一侧偏移距离L，第二测量梁沿天平轴线向另外一侧偏移距离L。

优选的，轴向力测量元件还包括第一横梁和第二横梁，分别将第一测量梁和第二测量梁连接到所述轴向力框体。

优选的，对于某一具体的风洞应变天平通过有限元仿真计算第一测量梁和第二测量梁的偏移距离L，使得法向载荷对轴向力测量元件的干扰最小。

优选的，所述偏移距离L为1～3mm。

优选的，所述铰链结构为口型结构铰链，包括矩形框体，矩形框体的上、下片梁厚度小于两侧壁的厚度。

优选的，矩形框体的上、下片梁厚度小于0.8mm，两侧壁的厚度大于1.8mm。

优选的，还包括五分量测量元件，所述五分量测量元件为弹性元件，包括设置于天平轴线上的主梁以及对称设置于主梁两侧的第一侧梁和第二侧梁。

优选的，所述主梁横截面为八边形，所述侧梁横截面为矩形。