CN111189611A - 基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法 - Google Patents

基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法。该方法使用的天平为专用的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平。该方法的步骤如下：加工试验模型；在表面摩擦阻力测量天平上安装天平保护壳、连接件和测量件，得到表面摩擦阻力测量单元；地面校准表面摩擦阻力测量单元；将表面摩擦阻力测量单元的阻力计算公式输入风洞数据采集***；在模型上安装表面摩擦阻力测量单元；调整试验模型和测量件之间的缝隙宽度；调整试验模型和测量件高度；在风洞内安装试验模型；调整试验模型姿态；按照常规风洞试验流程开展风洞试验。该方法简单，方便，易于操作，试验效率高。

Description

基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法。
背景技术
表面摩擦阻力是飞行器表面受到的剪切力的合力，是飞行器阻力的重要组成部分，对其精确测量对飞行器设计具有重大意义。风洞试验是获得飞行器表面摩擦阻力的重要方法。
风洞中的表面摩擦阻力测量技术存在很多难点：为减少对风洞试验模型表面破坏，只能对小面积表面进行测量，小面积表面的摩擦阻力很小，要求测量天平有足够高的分辨率；为便于安装而且不影响试验模型结构，要求测量天平体积较小；因为真实飞行器的飞行方向与飞行器姿态不一致，而且一直发生变化，所以需要测量两个垂直方向的表面摩擦阻力才可以合成总的表面摩擦阻力；试验模型表面所受的法向载荷远大于表面摩擦阻力，在高超声速风洞中还需要面对开关车过程中的冲击载荷，要求测量天平要有较高的结构刚度与强度，并要有过载保护功能。目前的表面摩擦阻力天平普遍尺寸较大，测量分辨率低，只能单分量测量，难以解决以上问题。
当前，亟需发展风洞试验表面摩擦阻力测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特点是，所述的风洞试验方法使用的表面摩擦阻力测量天平为应变式二分量表面摩擦阻力测量天平，表面摩擦阻力测量天平包括：上连接端、X1测量梁、X1过载保护缝、X2过载保护缝、X2测量梁、固定端和矩形定位块；
表面摩擦阻力测量天平为一体结构，主体为圆柱体；
圆柱体的上半部开有左右对称的通孔Ⅰ和通孔Ⅱ，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的上边和下边为直边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间保留的实体为X1测量梁，X1测量梁的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X1测量梁的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅰ和通孔Ⅱ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X1过载保护缝；
圆柱体的下半部分开有前后对称的通孔Ⅲ和通孔Ⅳ，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的上边和下边为直边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ中间保留的实体为X2测量梁，X2测量梁的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X2测量梁的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅲ和通孔Ⅳ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X2过载保护缝；
X1测量梁和X2测量梁垂直，X1测量梁和X2测量梁分别测量两个垂直的表面摩擦阻力分量；
圆柱体的顶端中心设置有上连接端；
圆柱体的下端固定有固定端，固定端的直径大于圆柱体的直径，固定端的下表面固定有矩形定位块；
X1测量梁中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为A1和A3，另一侧电阻应变计对应的编号为A2和A4，A1、A2、A3和A4组成X1惠斯通电桥；X2测量梁中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为B1和B3，另一侧电阻应变计对应的编号为B2和B4，B1、B2、B3和B4组成X2惠斯通电桥；
固定端侧面安装温度传感器；
所述的风洞试验方法，包括以下步骤：
a.加工试验模型，在试验模型外表面选择测量位置，根据测量件尺寸在测量位置钻测量孔，孔径略大于测量件尺寸；在测量位置下方设计有安装表面摩擦阻力测量天平的圆形空腔；加工测量件；
b.加工与表面摩擦阻力测量天平配套的连接件，连接件的上表面为平面，连接件的下端开有与上连接端装配的竖直孔，连接件的侧壁开有水平的螺钉孔；将连接件与上连接端通过柱配合连接，再通过拧紧螺钉孔内的紧定螺钉固定；在连接件的上表面固定安装测量件；
c.加工并安装与试验模型的圆形空腔相配的天平保护壳，天平保护壳为下底封闭的圆筒型结构，从下至上穿过矩形定位块罩住表面摩擦阻力测量天平及连接件，表面摩擦阻力测量天平的固定端与天平保护壳底面通过面配合连接；天平保护壳、表面摩擦阻力测量天平、连接件和测量件组成一个整体，形成表面摩擦阻力测量单元；
d.地面校准表面摩擦阻力测量单元，获得表面摩擦阻力测量单元的地面校准系数K11和K12，电压修正系数K21和K22，温度修正系数K31和K32；
e.将表面摩擦阻力测量天平的阻力计算公式输入风洞数据采集***，两个方向互相垂直的阻力X1和X2的计算公式为：
X1＝K21·K11·[UX1+K31·(T2-T1)]
X2＝K22·K12·[UX2+K32·(T2-T1)]
其中，UX1是X1惠斯通电桥的输出电压，UX2是X2惠斯通电桥的输出电压；T1为安装在固定端侧面的温度传感器测量值的平均初值，T2为安装在固定端侧面的温度传感器测量值的平均末值；
将两个分量的阻力进行正交合成就得到总摩擦阻力：
Figure BDA0002409960540000021
f.在试验模型内安装表面摩擦阻力测量单元，再通过在试验模型下表面从下至上拧紧的沉头螺钉拉紧固定表面摩擦阻力测量单元；
g.检测试验模型和测量件的上表面是否平滑过渡，如果存在台阶，则通过更换不同厚度的连接件调整测量件的高度，保证试验模型和测量件的上表面平滑过渡；
h.测量试验模型和测量件之间的缝隙宽度，并通过调整天平保护壳位置将缝隙宽度调整至所需的缝隙宽度；
i.在风洞内安装试验模型，试验模型的尾端连接模型支杆，模型支杆与风洞支撑机构连接；
j.将表面摩擦阻力测量天平的天平线穿过模型支杆连接至风洞数据采集***；
k.调整试验模型姿态，按照常规风洞试验流程开展风洞试验。
所述的X1过载保护缝和X2过载保护缝的宽度范围为0.08mm～0.14mm。
所述的表面摩擦阻力测量天平的材料为7075铝合金，采用T6热处理工艺进行处理。
所述的X1测量梁和X2测量梁的中段的厚度为0.16mm～0.24mm。
所述的试验模型和测量件之间的缝隙宽度为0.06～0.2mm。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的试验模型在风洞试验过程中，作用在测量件上的剪切力通过连接件传递至表面摩擦阻力测量天平，使测量梁产生变形，惠斯通电桥失去原有的平衡从而产生电压信号增量，通过阻力计算公式，得出测量件的表面摩擦阻力。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的表面摩擦阻力测量天平是二分量应变式表面摩擦阻力测量天平，具有相互垂直的X1测量梁和X2测量梁，X1测量梁和X2测量梁分别独立测量两个垂直的表面摩擦阻力分量，当某一分量载荷单独作用时，仅该分量的惠斯通电桥有较大输出，而另一分量的惠斯通电桥基本无输出。X1测量梁和X2测量梁根据应力集中原理进行设计，刚度较好，受力时电桥输出较大。X1过载保护缝和X2过载保护缝能够起到限位保护作用，当表面摩擦阻力测量天平受力过大时，X1过载保护缝或X2过载保护缝将靠拢，阻止表面摩擦阻力测量天平产生过大变形。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的表面摩擦阻力测量天平通过固定端和矩形定位块连接至天平保护壳的方式可以避免连接应力传递至表面摩擦阻力测量天平，提高表面摩擦阻力测量天平的可靠性。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的天平保护壳能够起到保护天平、隔离内部气流、固定测量线路以及与试验模型连接的作用。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的连接件安装在测量件与表面摩擦阻力测量天平之间，可以使表面摩擦阻力测量天平适应多个不同类型测量件，并且方便更换以及调整测量件位置。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的表面摩擦阻力测量天平能够实现试验模型表面摩擦阻力的精确测量，具有很高的分辨率，典型量程为0.02N，最小可以分辨0.0002N。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法中的表面摩擦阻力测量天平的直径与测量件尺寸相当，沿测量表面法向的刚度高，有防过载保护功能，不仅可以在风洞试验中用于试验模型的表面摩擦阻力测量，还可以用于飞行器上直接进行飞行器表面摩擦阻力测量，具有很高的推广应用价值。
本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法简单，方便，易于操作，试验效率高。
附图说明
图1为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的等轴测视图；
图2为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的主视图；
图3为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的左视图；
图4为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的俯视图；
图5为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的仰视图；
图6a为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的X1测量梁应变计粘贴位置；
图6b为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的X1惠斯通电桥；
图6c为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的X2测量梁应变计粘贴位置；
图6d为本发明中的应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的X2惠斯通电桥；
图7为本发明中的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法的示意图。
图中，1.试验模型 2.测量件 3.表面摩擦阻力测量天平 4.连接件 5.紧定螺钉6.天平保护壳 7.上连接端 8.X1测量梁 9.X1过载保护缝 10.X2过载保护缝 11.X2测量梁12.固定端 13.矩形定位块；
X1惠斯通电桥的应变计编号为：A1、A2、A3、A4；X2惠斯通电桥的应变计编号为：B1、B2、B3、B4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1～图5所示，本发明的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的风洞试验方法使用的表面摩擦阻力测量天平为应变式二分量表面摩擦阻力测量天平，表面摩擦阻力测量天平3包括：上连接端7、X1测量梁8、X1过载保护缝9、X2过载保护缝10、X2测量梁11、固定端12和矩形定位块13；
表面摩擦阻力测量天平3为一体结构，主体为圆柱体；
圆柱体的上半部开有左右对称的通孔Ⅰ和通孔Ⅱ，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的上边和下边为直边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间保留的实体为X1测量梁8，X1测量梁8的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X1测量梁8的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅰ和通孔Ⅱ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X1过载保护缝9；
圆柱体的下半部分开有前后对称的通孔Ⅲ和通孔Ⅳ，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的上边和下边为直边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ中间保留的实体为X2测量梁11，X2测量梁11的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X2测量梁11的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅲ和通孔Ⅳ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X2过载保护缝10；
X1测量梁8和X2测量梁11垂直，X1测量梁8和X2测量梁11分别测量两个垂直的表面摩擦阻力分量；
圆柱体的顶端中心设置有上连接端7；
圆柱体的下端固定有固定端12，固定端12的直径大于圆柱体的直径，固定端12的下表面固定有矩形定位块13；
如图6a～6d所示，X1测量梁8中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为A1和A3，另一侧电阻应变计对应的编号为A2和A4，A1、A2、A3和A4组成X1惠斯通电桥；X2测量梁11中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为B1和B3，另一侧电阻应变计对应的编号为B2和B4，B1、B2、B3和B4组成X2惠斯通电桥；
固定端12侧面安装温度传感器；
所述的风洞试验方法，包括以下步骤：
a.加工试验模型1，在试验模型1外表面选择测量位置，根据测量件2尺寸在测量位置钻测量孔，孔径略大于测量件2尺寸；在测量位置下方设计有安装表面摩擦阻力测量天平3的圆形空腔；加工测量件；
b.加工与表面摩擦阻力测量天平3配套的连接件4，连接件4的上表面为平面，连接件4的下端开有与上连接端7装配的竖直孔，连接件4的侧壁开有水平的螺钉孔；将连接件4与上连接端7通过柱配合连接，再通过拧紧螺钉孔内的紧定螺钉5固定；在连接件4的上表面固定安装测量件2；
c.加工并安装与试验模型1的圆形空腔相配的天平保护壳6，天平保护壳6为下底封闭的圆筒型结构，从下至上穿过矩形定位块13罩住表面摩擦阻力测量天平3及连接件4，表面摩擦阻力测量天平3的固定端12与天平保护壳6底面通过面配合连接；天平保护壳6、表面摩擦阻力测量天平3、连接件4和测量件2组成一个整体，形成表面摩擦阻力测量单元；
d.地面校准表面摩擦阻力测量单元，获得表面摩擦阻力测量单元的地面校准系数K11和K12，电压修正系数K21和K22，温度修正系数K31和K32；
e.将表面摩擦阻力测量天平3的阻力计算公式输入风洞数据采集***，两个方向互相垂直的阻力X1和X2的计算公式为：
X1＝K21·K11·[UX1+K31·(T2-T1)]
X2＝K22·K12·[UX2+K32·(T2-T1)]
其中，UX1是X1惠斯通电桥的输出电压，UX2是X2惠斯通电桥的输出电压；T1为安装在固定端12侧面的温度传感器测量值的平均初值，T2为安装在固定端12侧面的温度传感器测量值的平均末值；
将两个分量的阻力进行正交合成就得到总摩擦阻力：
Figure BDA0002409960540000041
f.在试验模型1内安装表面摩擦阻力测量单元，再通过在试验模型1下表面从下至上拧紧的沉头螺钉拉紧固定表面摩擦阻力测量单元；
g.检测试验模型1和测量件2的上表面是否平滑过渡，如果存在台阶，则通过更换不同厚度的连接件4调整测量件2的高度，保证试验模型1和测量件2的上表面平滑过渡；
h.测量试验模型1和测量件2之间的缝隙宽度，并通过调整天平保护壳6位置将缝隙宽度调整至所需的缝隙宽度；
i.在风洞内安装试验模型1，试验模型1的尾端连接模型支杆，模型支杆与风洞支撑机构连接；
j.将表面摩擦阻力测量天平3的天平线穿过模型支杆连接至风洞数据采集***；
k.调整试验模型1姿态，按照常规风洞试验流程开展风洞试验。
所述的X1过载保护缝9和X2过载保护缝10的宽度范围为0.08mm～0.14mm。
所述的表面摩擦阻力测量天平3的材料为7075铝合金，采用T6热处理工艺进行处理。
所述的X1测量梁8和X2测量梁11的中段的厚度为0.16mm～0.24mm。
所述的试验模型1和测量件2之间的缝隙宽度为0.06～0.2mm。
实施例1
本实施例的试验风洞为高超声速风洞，试验模型1为平板模型，试验模型1前沿下表面加工有迎向风洞来流的尖劈，测量件2的上表面为水平面；
风洞试验前，测量试验模型1和测量件2之间的缝隙宽度，并通过调整天平保护壳6位置将缝隙宽度调整至所需的缝隙宽度；
风洞试验前，测量试验模型1和测量件2的上表面高度，如果试验模型1和测量件2的上表面不在同一个水平面上，则通过更换不同厚度的连接件4，调整测量件2的高度，保证试验模型1和测量件2的上表面位于同一个水平面上。
可以根据测量需求，在试验模型1上多安装多个表面摩擦阻力测量单元，获得试验模型1表面不同测量位置处的表面摩擦阻力。

Claims (5)

1.基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的风洞试验方法使用的表面摩擦阻力测量天平为应变式二分量表面摩擦阻力测量天平，表面摩擦阻力测量天平(3)包括：上连接端(7)、X1测量梁(8)、X1过载保护缝(9)、X2过载保护缝(10)、X2测量梁(11)、固定端(12)和矩形定位块(13)；
表面摩擦阻力测量天平(3)为一体结构，主体为圆柱体；
圆柱体的上半部开有左右对称的通孔Ⅰ和通孔Ⅱ，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的上边和下边为直边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅰ和通孔Ⅱ之间保留的实体为X1测量梁(8)，X1测量梁(8)的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X1测量梁(8)的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅰ和通孔Ⅱ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X1过载保护缝(9)；
圆柱体的下半部分开有前后对称的通孔Ⅲ和通孔Ⅳ，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的上边和下边为直边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ的左边和右边为弧形边，通孔Ⅲ和通孔Ⅳ中间保留的实体为X2测量梁(11)，X2测量梁(11)的上段和下段的投影形状为对称的弧形，X2测量梁(11)的中段的投影形状为矩形；通孔Ⅲ和通孔Ⅳ外侧保留的实体分别通过对称的直缝分开，形成对称的X2过载保护缝(10)；
X1测量梁(8)和X2测量梁(11)垂直，X1测量梁(8)和X2测量梁(11)分别测量两个垂直的表面摩擦阻力分量；
圆柱体的顶端中心设置有上连接端(7)；
圆柱体的下端固定有固定端(12)，固定端(12)的直径大于圆柱体的直径，固定端(12)的下表面固定有矩形定位块(13)；
X1测量梁(8)中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为A1和A3，另一侧电阻应变计对应的编号为A2和A4，A1、A2、A3和A4组成X1惠斯通电桥；X2测量梁(11)中段中间位置两侧对称粘贴两片并列的电阻应变计，一侧电阻应变计编号为B1和B3，另一侧电阻应变计对应的编号为B2和B4，B1、B2、B3和B4组成X2惠斯通电桥；
固定端(12)侧面安装温度传感器；
所述的风洞试验方法，包括以下步骤：
a.加工试验模型(1)，在试验模型(1)外表面选择测量位置，根据测量件(2)尺寸在测量位置钻测量孔，孔径略大于测量件(2)尺寸；在测量位置下方设计有安装表面摩擦阻力测量天平(3)的圆形空腔；加工测量件；
b.加工与表面摩擦阻力测量天平(3)配套的连接件(4)，连接件(4)的上表面为平面，连接件(4)的下端开有与上连接端(7)装配的竖直孔，连接件(4)的侧壁开有水平的螺钉孔；将连接件(4)与上连接端(7)通过柱配合连接，再通过拧紧螺钉孔内的紧定螺钉(5)固定；在连接件(4)的上表面固定安装测量件(2)；
c.加工并安装与试验模型(1)的圆形空腔相配的天平保护壳(6)，天平保护壳(6)为下底封闭的圆筒型结构，从下至上穿过矩形定位块(13)罩住表面摩擦阻力测量天平(3)及连接件(4)，表面摩擦阻力测量天平(3)的固定端(12)与天平保护壳(6)底面通过面配合连接；天平保护壳(6)、表面摩擦阻力测量天平(3)、连接件(4)和测量件(2)组成一个整体，形成表面摩擦阻力测量单元；
d.地面校准表面摩擦阻力测量单元，获得表面摩擦阻力测量单元的地面校准系数K11和K12，电压修正系数K21和K22，温度修正系数K31和K32；
e.将表面摩擦阻力测量天平(3)的阻力计算公式输入风洞数据采集***，两个方向互相垂直的阻力X1和X2的计算公式为：
X1＝K21·K11·[UX1+K31·(T2-T1)]
X2＝K22·K12·[UX2+K32·(T2-T1)]
其中，UX1是X1惠斯通电桥的输出电压，UX2是X2惠斯通电桥的输出电压；T1为安装在固定端(12)侧面的温度传感器测量值的平均初值，T2为安装在固定端(12)侧面的温度传感器测量值的平均末值；
将两个分量的阻力进行正交合成就得到总摩擦阻力：
Figure FDA0002409960530000021
f.在试验模型(1)内安装表面摩擦阻力测量单元，再通过在试验模型(1)下表面从下至上拧紧的沉头螺钉拉紧固定表面摩擦阻力测量单元；
g.检测试验模型(1)和测量件(2)的上表面是否平滑过渡，如果存在台阶，则通过更换不同厚度的连接件(4)调整测量件(2)的高度，保证试验模型(1)和测量件(2)的上表面平滑过渡；
h.测量试验模型(1)和测量件(2)之间的缝隙宽度，并通过调整天平保护壳(6)位置将缝隙宽度调整至所需的缝隙宽度；
i.在风洞内安装试验模型(1)，试验模型(1)的尾端连接模型支杆，模型支杆与风洞支撑机构连接；
j.将表面摩擦阻力测量天平(3)的天平线穿过模型支杆连接至风洞数据采集***；
k.调整试验模型(1)姿态，按照常规风洞试验流程开展风洞试验。
2.根据权利要求1所述的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的X1过载保护缝(9)和X2过载保护缝(10)的宽度范围为0.08mm～0.14mm。
3.根据权利要求1所述的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的表面摩擦阻力测量天平(3)的材料为7075铝合金，采用T6热处理工艺进行处理。
4.根据权利要求1所述的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的X1测量梁(8)和X2测量梁(11)的中段的厚度为0.16mm～0.24mm。
5.根据权利要求1所述的基于应变式二分量表面摩擦阻力测量天平的风洞试验方法，其特征在于，所述的试验模型(1)和测量件(2)之间的缝隙宽度为0.06～0.2mm。
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