CN103616157A - 风洞天平体轴系静校***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风洞天平体轴系静校***及方法，该***包括：刚性基座，用于提供稳定支撑；支杆，一端固定于所述刚性基座，另一端用于和天平的一端连接；加载头，用于代替模型，连接在天平的模型连接端；位移传感器，共七个，用于测量天平沿三个方向的线位移和角位移，七个所述位移传感器围绕天平校心、沿三个方向对称布置，每个方向各布置两个所述位移传感器，沿轴向布置一个所述位移传感器；载荷产生装置，与所述加载头通过连接件连接，以向所述加载头施加载荷。本发明结构简单，节约成本；提高静校效率，缩短校准时间，确实为一种简单可行又精度高的天平静校方案。

Description

风洞天平体轴系静校***及方法

技术领域

本发明属于风洞测力天平校准领域，具体而言，本发明特别涉及一种风洞天平体轴系静校***及方法。

背景技术

目前，风洞常规测力试验需要用风洞应变式天平来测量模型所受气动载荷的大小。在试验前，需要用天平校准***来标定载荷与天平输出信号之间的关系，即模拟风洞中试验模型对天平的加载，对天平施加已知的力和力矩，求出已知力和力矩与天平输出的关系，即天平公式，并确定天平静校时的测量准度和精度。

天平校准方法主要有两种：地轴系校准和体轴系校准。地轴系校准不考虑天平在加载过程中的受力变形，其结构简单，但存在许多问题，有无法消除的误差来源。现在一般都采用体轴系校准，体轴系则更加正确地模拟模型对天平的加载，而体轴方法中最常用的是复位法，即将天平体轴每次加载时复位到地轴系上，这种方法的机械和控制部分结构复杂，建设和维护成本高，而且校准效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞天平体轴系静校***及方法，以解决现有技术存在的或者有无法消除的误差来源，或者结构复杂、成本高、效率低等问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种风洞天平体轴系静校***，其技术方案为：

一种风洞天平体轴系静校***，包括：刚性基座，用于提供稳定支撑；支杆，一端固定于所述刚性基座，另一端用于和天平的一端连接；加载头，用于代替模型，连接在天平的模型连接端；位移传感器，共七个，用于测量天平沿三个方向的线位移和角位移，七个所述位移传感器围绕天平校心、沿三个方向对称布置，每个方向各布置两个所述位移传感器，沿轴向布置一个所述位移传感器；载荷产生装置，与所述加载头通过连接件连接，以向所述加载头施加载荷。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校***，优选，所述位移传感器为激光位移传感器。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校***，优选，所述载荷产生装置为砝码或力发生器。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校***，优选，所述连接件为拉线、钢带或杠杆。

为了实现上述目的，本发明提供一种风洞天平体轴系静校方法，其技术方案为：

一种风洞天平体轴系静校方法，其包括以下步骤：第一步骤，将天平固定，天平用于和模型连接的一端与加载头连接，加载头连接各个方向上的加载点；第二步骤，在加载头各个方向多次施加载荷，测量加载头各个方向的位移量，结合各方向施加的载荷值，计算天平体轴系各方向所受载荷值；第三步骤，根据每次加载天平的输出和计算得到的体轴系载荷值，求解出天平输出和载荷间的关系式。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校方法，优选，所述第二步骤进一步包括以下步骤：第二一步骤，计算天平体轴系和加载点的地轴系产生的夹角；第二二步骤，计算加载头与加载点的连线和地轴系之间的夹角；第二三步骤，利用上述计算得到的各个夹角，将地轴系上的载荷映射到体轴系上，计算每个方向上的力和力矩在天平体轴系各个方向上的分力，再将这些分力合成，实现三维坐标系转换。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校方法，优选，在第三步骤中，通过最小二乘拟合方法求解出天平输出和载荷间的关系式。

在基于本发明的上述风洞天平体轴系静校方法，优选，所述第二步骤进一步包括以下步骤：第二零一步骤，测量各加载点到天平校心的距离；第二零二步骤，确定天平位移传感器的测点，并测量测点到天平校心距离；在第二一步骤中，天平体轴系与加载点的地轴系产生的夹角由测点到天平校心距离、相应的位移量计算得到，在第二二步骤，加载头与加载点的连线和地轴系之间的夹角由位置平移量、加载头与加载点之间连线的长度计算得到。

分析可知，本发明基于传统的地轴系静校方法，分别测量出天平各个方向的变形量，通过复杂的三维坐标系转换，将载荷投影到体轴系中去，从而得到体轴系中各方向的载荷量。通过坐标系计算的手段代替结构复杂又昂贵的复位***，便可以省略复杂的复位机构，结构简单，节约成本；提高静校效率，缩短校准时间，可见，本发明确实为一种简单可行又精度高的天平静校方案。

附图说明

图1为本发明***实施例（仅包括部分组件）的结构示意图；

图2为一具体风洞天平实施例的静校装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

提前说明的是，为了不至于产生赘述之感，下面将对本发明提供的风洞天平体轴系静校***、方法进行同时说明。

如图1所示，本发明的风洞天平体轴系静校***实施例主要包括基座1、支杆2、加载头4、位移传感器、载荷产生装置、连接于加载头4和载荷产生装置之间的连接件。优选地，位移传感器为激光位移传感器，如激光位移传感器61、62；载荷产生装置为砝码，如砝码51、砝码52，因此在必要的情况下，需设置滑轮7等以改变拉线8的方向；连接件则为拉线8等。在其他实施例中，载荷产生装置也可以为连接在拉线8另一端力发生器；用于连接加载头、载荷产生装置的连接件也可以为钢带或杠杆等其他可以作为位移、角度传递媒介的器具。

在具体实施时，可以参考以下步骤：

第一步，将天平3、支杆2安装在固定的刚性基座1上，令一端，即天平3和模型的连接端，与加载头4连接（即加载头用于代替模型，连接在天平的模型连接端），加载头4则通过拉线8等方式连接各个方向上的加载点。

第二步，测量各加载点到天平校心的距离，即拉线8等长度。

第三步，在加载头4的周围布置激光位移传感器61、62等七个激光位移传感器，各激光位移传感器位置固定。

各激光位移传感器围绕天平3的天平校心（坐标轴X/Y的交点处）布置，沿三个方向对称布置，每个方向各两个（在同一方向，天平校心的两侧各一个，如激光位移传感器61、62位于地轴系的坐标轴Xd方向，并居于天平校心的两侧）；沿轴向布置一个，共七个，如此布置激光位移传感器，即可测得天平3沿三个方向的线位移和角位移。

当天平受力变形时，激光位移传感器可以测量加载头各个方向的位移量。

第四步，测量各激光位移传感器的测点到天平校心距离，如距离L1、L2。

第五步，天平3和激光位移传感器61、62等通过信号采集器连接到计算机中，可实时采集和存储其电压信号数据。

第六步，按照预先分配好的载荷组合，通过砝码51、52等在各个方向施加载荷，加载平稳后采集天平3和激光位移传感器61、62等的电压信号。

第七步，得到天平3和激光位移传感器61、62等的数据后，结合各方向施加的载荷值，即可计算天平体轴系各方向所受载荷值，其计算过程具体包括下面第八步、第九步。

第八步，由于受力变形，天平3相对地轴系（由坐标轴Xd/Yd等表示）产生了三个方向的角度偏移，导致天平体轴系（由坐标轴X/Y等表示）与加载点的地轴系产生夹角，这些夹角可由激光位移传感器间接测得。

例如，沿轴向方向，天平攻角Δα：

Δα＝arctan[(h₂-h₁)/(L₁+L₂)]，

其中，h₂、h₁是两个垂直方向的激光位移传感器61、62测得的位移量，L₁、L₂是这两个激光位移传感器61、62的激光点距天平校心的距离，单位均为米。

第九步，由于受力变形，天平3相对地轴系产生三个方向的位置平移，导致天平3与拉线8等产生夹角，这些夹角可通过激光位移传感器间接测得的位置平移量和拉线长度综合计算得到。

例如，轴向方向夹角

${\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{22}}=\arctan (\mathrm{\Δy}/L_{G22})$

Δy＝-(h₁*L₂+h₂*L₁/(L₂+L₂)

其中，L_θ22为轴向载荷G22的拉线长度，Δy为天平校心垂直方向的位移量，单位均为米。

第十步，利用第八步、第九步计算得到的各个夹角，将地轴系上的载荷映射到体轴系上，计算每个方向上的力和力矩在天平体轴系各个方向上的分力，再将这些分力合成，就实现了三维坐标系转换。

第十一步，根据预先分配好的载荷组合逐点加载，重复第六至十步，直到加载点数足够大。

第十二步，根据每次加载天平输出的电压值和计算得到的体轴系载荷值，通过迭代（比如最小二乘拟合）方法求解出电压和载荷间的关系式，即天平公式，静校过程结束。

为了进一步详细描述本发明，下面结合具体天平实例，对本发明描述如下：

以某六分量天平为例，其分量分别为轴向力X、法向力Y、侧向力Z、滚转力矩Mx、俯仰力矩Mz、偏航力矩My，其校准装置示意图如图1所示，具体实施步骤如下：

1、载荷加载后，通过激光位移传感器和其测点距天平校心距离可算出天平沿三个方向的线位移量和角位移量Δx、Δy、Δz、Δα、Δβ、Δγ；

2、设定天平的线位移和角位移m，造成n方向上的拉线与天平所产生的角度已知天平偏移量和拉线长度，即可算得其夹角。例如，即为Y轴方向上平移量△y造成G22方向的拉线与天平所产生的角度。

3、以法向力Y方向为例，已知Y的地轴系载荷计算公式如下：

Y＝G₁₁+G₂₂+G₂₃+G₂₄-G₀

4、通过步骤1、2得到的体轴系和地轴系之间的角度，计算在每个方向上的力和力矩在天平体轴系Y方向上的分力，再将这些分力合成，即得到下式：

$\begin{array}{c}Y=-\cos (\mathrm{\Δ\α}-{\mathrm{\Δ\θ}}_x^{G_0})*\cos (\mathrm{\Δ\γ}-{\mathrm{\Δ\θ}}_z^{G_0})*G_0+\cos \left(\mathrm{\Δ\α}\right)*\cos \left(\mathrm{\Δ\γ}\right)*G_{22}+\cos \left(\mathrm{\Δ\α}\right)*\cos \left(\mathrm{\Δ\γ}\right)*G_{22}\\ +\cos \left(\mathrm{\Δ\α}\right)*\cos \left(\mathrm{\Δ\γ}\right)*G_{23}+\cos \left(\mathrm{\Δ\α}\right)*\cos \left(\mathrm{\Δ\γ}\right)*G_{24}\\ +\sin (\mathrm{\Δ\α}-{\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{21}})*\cos (\mathrm{\Δ\β}+{\mathrm{\Δ\θ}}_z^{G_{21}})*G_{21}-\sin (\mathrm{\Δ\α}+{\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{22}})*\cos (\mathrm{\Δ\β}-{\mathrm{\Δ\θ}}_z^{G_{22}})*G_{22}\\ -\sin (\mathrm{\Δ\γ}+{\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{31}})*\cos (\mathrm{\Δ\β}+{\mathrm{\Δ\θ}}_x^{G_{31}})*G_{32}\\ +\sin (\mathrm{\Δ\γ}-{\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{32}}-{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{\α}}^{G_{32}})*\cos (\mathrm{\Δ\β}-{\mathrm{\Δ\θ}}_x^{G_{32}})*G_{32}\\ +\sin (\mathrm{\Δ\γ}-{\mathrm{\Δ\θ}}_y^{G_{34}}+{\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{\α}}^{G_{34}})*\cos (\mathrm{\Δ\β}-{\mathrm{\Δ\θ}}_x^{G_{34}})*G_{34}\end{array}$

5、参照上述步骤，同理可计算得到体轴系其它分量X、Z、Mx、My、Mz的载荷值，即得到天平体轴系全部载荷。

6、根据每次加载天平输出地电压值和计算得到的体轴系载荷值拟合出电压和载荷间的关系式，即天平公式，静校过程结束。

综上，本发明基于传统的地轴系静校方法，分别测量出天平各个方向的变形量，通过复杂的三维坐标系转换，将载荷投影到体轴系中去，从而得到体轴系中各方向的载荷量。与现有技术相比，本发明可以取得以下优点：

在原有地轴系校准的基础上增加了天平变形测量和坐标系转换部分，以达到体轴系校准目的，其结构简单，建设和维护成本低，通用性好。

用坐标系转换代替复杂的复位机构，并可达到体轴系校准效果，大大地简化了天平静校装置，且执行效率高。

避免复位机构引入的误差，静校精度高。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种风洞天平体轴系静校***，其特征在于，包括：

刚性基座，用于提供稳定支撑；

支杆，一端固定于所述刚性基座，另一端用于和天平的一端连接；

加载头，连接在天平的模型连接端；

位移传感器，共七个，用于测量天平沿三个方向的线位移和角位移，七个所述位移传感器围绕天平校心、沿三个方向对称布置，每个方向各布置两个所述位移传感器，沿轴向布置一个所述位移传感器；

载荷产生装置，与所述加载头通过连接件连接，以向所述加载头施加载荷。

2.根据权利要求1所述的风洞天平体轴系静校***，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器。

3.根据权利要求1所述的风洞天平体轴系静校***，其特征在于，所述载荷产生装置为砝码或力发生器。

4.根据权利要求1所述的风洞天平体轴系静校***，其特征在于，所述连接件为拉线、钢带或杠杆。

5.一种风洞天平体轴系静校方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步骤，将天平固定，天平用于和模型连接的一端与加载头连接，加载头连接各个方向上的加载点；

第二步骤，在加载头各个方向多次施加载荷，测量加载头各个方向的位移量，结合各方向施加的载荷值，计算天平体轴系各方向所受载荷值；

第三步骤，根据每次加载天平的输出和计算得到的体轴系载荷值，求解出天平输出和载荷间的关系式。

6.根据权利要求5所述的风洞天平体轴系静校方法，其特征在于，所述第二步骤进一步包括以下步骤：

第二一步骤，计算天平体轴系和加载点的地轴系产生的夹角；

第二二步骤，计算加载头与加载点的连线和地轴系之间的夹角；

第二三步骤，利用上述计算得到的各个夹角，将地轴系上的载荷映射到体轴系上，计算每个方向上的力和力矩在天平体轴系各个方向上的分力，再将这些分力合成，实现三维坐标系转换。

7.根据权利要求5所述的风洞天平体轴系静校方法，其特征在于，在第三步骤中，通过最小二乘拟合方法求解出天平输出和载荷间的关系式。

8.根据权利要求6所述的风洞天平体轴系静校方法，其特征在于，所述第二步骤进一步包括以下步骤：

第二零一步骤，测量各加载点到天平校心的距离；

第二零二步骤，确定天平位移传感器的测点，并测量测点到天平校心距离；

在第二一步骤中，天平体轴系与加载点的地轴系产生的夹角由测点到天平校心距离、相应的位移量计算得到。

在第二二步骤，加载头与加载点的连线和地轴系之间的夹角由位置平移量、加载头与加载点之间连线的长度计算得到。

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