CN113295367A - 一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，以解决采用传统内式应变天平用于风洞飞行器模型阻力测量时的分辨率不足、非线性干扰大而导致测量精度低的技术难题。包括风洞飞行器模型、五自由度抑制装置、转接法兰、阻力电磁天平和尾支杆；五自由度抑制装置的壳体通过转接法兰与阻力电磁天平的第一壳体连接，其内轴与阻力电磁天平的支撑轴连接，风洞飞行器模型安装在壳体上，最终通过电磁天平的支撑轴安装在尾支杆上形成测量装置整体；风洞试验时，风洞飞行器模型的气动载荷升力Y、俯仰力矩Mz、侧力Z、偏航力矩My和滚转力矩Mx被五自由度抑制装置抑制，仅阻力X载荷无失真的传递至阻力电磁天平，进而实现阻力的高精度孤立测量。

Description

一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置

技术领域

本发明涉及一种风洞试验测力装置，具体涉及一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术

随着我国航空航天技术的不断发展，新型弹、箭及飞机等装备型号的研制层出不穷。新型飞行器设计往往意味着其气动特性的重大革新，一般也会对风洞气动力试验测量领域提出更苛刻的要求，如：总体设计对某些关键气动力参数的极高精准度测量要求、气动载荷强不匹配情况下的高精准度测量要求等。以飞行器阻力测量为例，对于战略战术导弹、飞机等比较关注阻力的气动外形，为提高航程或打击范围，在研制过程中要进行减阻设计，但由于其升力/力矩与阻力极不匹配，使阻力的高精度测量及减阻验证风洞试验难度大幅提高。另外，当前国内、外风洞测力试验绝大部分采用了内式应变天平技术，对于杆式应变天平而言，阻力是最难测量的载荷分量，其主要原因一方面是受风洞模型内腔尺寸的限制，天平的直径尺寸相对于长度尺寸较小，而为保证较宽的量程范围和较高的灵敏度输出，需严格协调刚度和灵敏度矛盾；另一方面，由于阻力载荷特点和测量元件设置的客观要求，同时受限于应变天平的固有测量机理，其在结构设计和测量上无法彻底解耦，这导致了各分量载荷不可能随意匹配，天平在受载情况下变形时，各分量对阻力单元有不同程度的干扰，且多为非线性，加剧了阻力的测量难度。

针对飞行器阻力测量的风洞试验，国内、外空气动力试验机构大都采用基于应变天平技术的测试手段，主要包括两种：1)高精度六分量应变天平测量技术：通过优化、设计专用高精度阻力测量天平，以提高阻力测量精准度。如前所述，应变天平的设计核心是通过合理结构设计、机械加工和电桥设计等获得尽量高的应变/变形比，即，天平刚度足够大的前提下，各分量测量分辨率尽量高，但二者是矛盾的，折中的结果就是无法得到理论的最优设计。受限于固有测量机理，应变天平在结构上无法彻底解耦，尤其对阻力分量而言，解耦程度较低，进而会导致干扰误差，测量精准度无法从本质上提升。2)飞行器阻力的风洞试验孤立测量技术：即通过抑制飞行器在除阻力外的其他五个方向的自由度，采用专用高灵敏度应变天平对其阻力进行孤立测量。这种测量方式本质上仍需要天平与抑制机构的刚性连接，一方面，天平处于过约束连接状态，***内应力会对天平测量产生干扰误差，严重时，甚至会导致测量失败；另一方面，抑制机构未过滤的其他气动力载荷信息依然会传递至天平，进而产生干扰。此外，高灵敏度应变天平对气动力载荷的适应性、通用性较差，对天平的校准和使用环境一致性要求也较高。

综上，应变天平技术在提高风洞试验模型阻力测量精准度方面已逐渐呈现出难以满足先进型号的研制需求，成为了在研及预研型号研制的技术瓶颈。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的上述不足，针对风洞试验飞行器模型阻力的高精度测量问题，提供了一种基于电磁天平的孤立阻力测量装置，解决了传统内式应变天平用于阻力测量时的分辨率不足、非线性干扰大而导致测量精度低的技术难题，实现了飞行器模型阻力的高精度测量。

本发明的技术解决方案是：

一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，包括：阻力电磁天平、五自由度抑制装置、风洞飞行器模型、转接法兰和尾支杆；

所述阻力电磁天平包括第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件、阻力盘、支撑轴、第一壳体、第二壳体、第三壳体、位移传感器、硅钢片组、第一限位螺母、第二限位螺母、电控***和电流测量组件；所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件和位移传感器依次安装在支撑轴上，所述第一壳体、第二壳体和第三壳体依次连接组成天平外壳，所述阻力盘安装在第二壳体上并沿轴向位于第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件之间，共同构成阻力测量组件，所述硅钢片组也安装在第二壳体上并沿轴向位于与位移传感器相同的位置；阻力电磁天平工作时，电控***控制阻力测量组件实现天平外壳沿轴向悬浮，受载后，位移传感器测得天平外壳的轴向位移变化，电控***通过改变第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件的控制电流，实现位移回零，再由电流测量组件测得***电流变化，进而根据电流-阻力映射关系，获得实时阻力气动载荷；

所述五自由度抑制装置包括壳体、内轴和抑制装置，所述壳体通过抑制装置与内轴连接，可实现除阻力方向以外的其他五个自由度的抑制；所述壳体通过转接法兰与阻力电磁天平的第一壳体连接，所述内轴与阻力电磁天平的支撑轴连接；所述风洞飞行器模型安装在壳体上，最终整个测量装置通过电磁天平的支撑轴安装在尾支杆上；风洞试验时，风洞飞行器模型的气动载荷通过五自由度抑制装置，仅阻力载荷无失真的传递至阻力电磁天平，进而实现阻力的高精度测量。

进一步地，所述第一磁悬浮组件包括环形座、固定环、磁芯和绕组，所述环形座为环形结构，所述磁芯由N个U型硅钢片组成，分为相同四部分沿环形座周向等角度间隔设置，安装时，磁芯嵌入环形座，并通过固定环紧固形成整体，所述绕组均匀的在磁芯的U型腔内绕轴向缠绕；所述第二磁悬浮组件与第一磁悬浮组件具有相同的组成和结构，二者关于所述阻力盘沿轴向对称设置。

进一步地，所述U型硅钢片沿厚度方向为扇形结构，其角度沿天平周向为r＝1-2°。

进一步地，所述阻力盘包括环形盘、第一矩形硅钢片组和第二矩形硅钢片组，所述环形盘为环形结构，所述第一矩形硅钢片组由N个矩形硅钢片组成，分为相同四部分沿环形盘周向等角度间隔嵌入环形盘沿轴向的一侧，所述第二矩形硅钢片组与第一矩形硅钢片组具有相同的组成，沿环形盘周向等角度间隔嵌入环形盘沿轴向的另一侧。

进一步地，所述矩形硅钢片沿厚度方向为扇形结构，其角度沿天平周向为r＝1-2°。

进一步地，所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件的U型硅钢片和阻力盘的矩形硅钢片沿天平周向设置的相对位置相同。

进一步地，所述环形座、固定环和环形盘均采用非导磁材料。

进一步地，所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件与阻力盘之间的轴向间隙g＝0.3mm-0.4mm；所述第一限位螺母与第一壳体之间的轴向间隙以及第二限位螺母与第三壳体之间的轴向间隙t＝(g-0.1)mm；所述位移传感器与硅钢片组之间的径向单边间隙h＝0.5mm。

进一步地，所述电控***包括位移测量组件、信号放大器和控制器。

进一步地，所述抑制装置为机械式直线滚珠花键或电磁式五自由度抑制器。本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明提供的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，阻力电磁天平测量分辨率高；利用电磁悬浮的无接触优势，彻底消除了五自由度抑制装置对天平的安装内应力干扰问题，实现了孤立被测载荷的高保真传递和测量。

(2)本发明提供的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，阻力电磁天平的电磁悬浮组件和阻力盘均采用了硅钢叠片的形式，减小了磁滞、涡流等对电磁铁的非线性影响，测力线性度较高，可降低天平校准难度，同时提升测量精准度。

(3)本发明提供的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，阻力电磁天平可通过调整***偏置电流，在不损失测量分辨率的前提下实现量程的自适应匹配，通用性强，可实现模块化发展，减少设计迭代，节约成本。

(4)本发明提供的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，***刚度高，频响高，可在非定常测力试验中广泛应用。

附图说明

图1为本发明的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置示意图；

图2为本发明的电磁天平装置示意图；

图3为本发明的磁悬浮组件组成示意图；

图4为本发明的阻力盘组成示意图；

图5为图3的P向视图以及图4的Q向视图；

具体实施方式

下面结合附图1～5，对本发明的具体实施方式作详细描述。

本发明公开了一种风洞试验电磁测力装置，以解决采用传统内式应变天平用于风洞飞行器模型阻力测量时的分辨率不足、非线性干扰大而导致测量精度低的技术难题，以实现对阻力的高精度测量。具体的指，提供一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，如图1～图2所示，包括风洞飞行器模型1、五自由度抑制装置、转接法兰3、阻力电磁天平和尾支杆5；

五自由度抑制装置可实现除阻力X方向以外的升力Y、俯仰力矩Mz、侧力Z、偏航力矩My和滚转力矩Mx五个自由度气动载荷的抑制，其包括壳体201、内轴202和抑制装置203，壳体201通过抑制装置203与内轴202连接，抑制装置203为机械式直线滚珠花键或较高刚度的电磁式五自由度抑制器；

阻力电磁天平包括第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件、阻力盘、支撑轴401、第一壳体402、第二壳体415、第三壳体418、位移传感器416、硅钢片组417、第一限位螺母403、第二限位螺母419、电控***和电流测量组件423，电控***包括位移测量组件420、信号放大器421和控制器422。

第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件和位移传感器416依次安装在支撑轴401上，第一壳体402、第二壳体415和第三壳体418依次连接组成天平外壳，阻力盘安装在第二壳体415上并沿轴向位于第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件之间，共同构成一个基于差动电磁铁原理的阻力测量组件，用于承载、控制和测量阻力；硅钢片组417也安装在第二壳体415上并沿轴向位于与位移传感器416相同的位置，用于天平壳体的轴向位移测量；

阻力电磁天平的工作原理如下：工作时，电控***控制阻力测量组件实现天平外壳沿轴向悬浮，受轴向气动载荷后，位移传感器416测得天平外壳的轴向位移变化，电控***通过改变第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件的控制电流，实现位移回零，再由电流测量组件423测得***电流变化，进而根据电流-阻力映射关系F＝f(i)，获得实时阻力气动载荷；

五自由度抑制装置的壳体201通过转接法兰3与阻力电磁天平的第一壳体402连接，内轴202与阻力电磁天平的支撑轴401连接，风洞飞行器模型1安装在壳体201上，最终通过电磁天平的支撑轴401安装在尾支杆5上形成测量装置整体；风洞试验时，风洞飞行器模型1的气动载荷升力Y、俯仰力矩Mz、侧力Z、偏航力矩My和滚转力矩Mx被五自由度抑制装置抑制，仅阻力X载荷无失真的传递至阻力电磁天平，进而实现阻力的高精度测量。

本实施例中，结合图2和图3，第一磁悬浮组件包括环形座404、固定环405、磁芯406和绕组407，环形座404为环形结构，磁芯406由N个U型硅钢片组成，分为相同四部分沿环形座404周向等角度间隔设置，安装时，磁芯406嵌入环形座404，并通过固定环405紧固形成整体，绕组407均匀的在磁芯406的U型腔内绕轴向缠绕；第二磁悬浮组件与第一磁悬浮组件具有相同的组成和结构，二者关于所述阻力盘沿轴向对称设置。

本实施例中，结合图2和图4，阻力盘包括环形盘409、第一矩形硅钢片组408和第二矩形硅钢片组410，环形盘409为环形结构，第一矩形硅钢片组408由N个矩形硅钢片组成，分为相同四部分沿环形盘409周向等角度间隔嵌入环形盘409沿轴向的一侧，第二矩形硅钢片组410与第一矩形硅钢片组408具有相同的组成，沿环形盘409周向等角度间隔嵌入环形盘409沿轴向的另一侧。

本实施例中，优选的，如图5，U型硅钢片和矩形硅钢片沿厚度方向均为扇形结构，其角度沿天平周向为r＝1-2°；第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件的U型硅钢片和阻力盘的矩形硅钢片沿天平周向设置的相对位置相同。

上述电磁悬浮组件和阻力盘均采用了硅钢叠片的形式，可减小磁滞、涡流等对电磁铁的非线性影响，提高测量的线性度。

本实施例中，优选的，环形座404、固定环405和环形盘409均采用非导磁材料。

本实施例中，优选的，如图2所示，第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件与阻力盘之间的轴向间隙g＝0.3mm-0.4mm；第一限位螺母403与第一壳体402之间的轴向间隙以及第二限位螺母419与第三壳体418之间的轴向间隙t＝(g-0.1)mm；位移传感器416与硅钢片组417之间的径向单边间隙h＝0.5mm；上述距离均是经过详细的理论计算和有限元分析获得，以实现阻力电磁天平的悬浮测量和限位保护。

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。

Claims (10)

1.一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于，包括：阻力电磁天平、五自由度抑制装置、风洞飞行器模型(1)、转接法兰(3)和尾支杆(5)；

所述阻力电磁天平包括第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件、阻力盘、支撑轴(401)、第一壳体(402)、第二壳体(415)、第三壳体(418)、位移传感器(416)、硅钢片组(417)、第一限位螺母(403)、第二限位螺母(419)、电控***和电流测量组件(423)；

所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件和位移传感器(416)依次安装在支撑轴(401)上，所述第一壳体(402)、第二壳体(415)和第三壳体(418)依次连接组成阻力电磁天平外壳，所述阻力盘安装在第二壳体(415)上并沿轴向位于第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件之间，第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件、位移传感器(416)、电磁天平外壳以及阻力盘共同构成阻力测量组件；所述硅钢片组(417)也安装在第二壳体(415)上并沿轴向位于与位移传感器(416)相同的位置；第一限位螺母(403)沿轴向安装在第一壳体(402)的外侧，第二限位螺母(419)沿轴向安装在第三壳体(418)的外侧，第一限位螺母(403)和第二限位螺母(419)用于阻力电磁天平外壳的轴向限位；

阻力电磁天平工作时，电控***控制阻力测量组件实现天平外壳沿轴向悬浮，受载后，位移传感器(416)测得天平外壳的轴向位移变化，电控***通过改变第一磁悬浮组件和第二磁悬浮组件的控制电流，实现位移回零，再由电流测量组件(423)测得电流变化，进而根据电流-阻力映射关系，获得实时阻力气动载荷；

所述五自由度抑制装置包括壳体(201)、内轴(202)和抑制装置(203)；所述壳体(201)通过抑制装置(203)与内轴(202)连接，实现除阻力方向以外的其他五个自由度的抑制；所述壳体(201)通过转接法兰(3)与阻力电磁天平的第一壳体(402)连接，所述内轴(202)与阻力电磁天平的支撑轴(401)连接；所述风洞飞行器模型(1)安装在壳体(201)上，最终整个测量装置通过电磁天平的支撑轴(401)安装在尾支杆(5)上；风洞试验时，风洞飞行器模型(1)的气动载荷通过五自由度抑制装置，仅阻力载荷无失真的传递至阻力电磁天平，进而实现阻力的高精度测量。

2.根据权利要求1所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述第一磁悬浮组件包括环形座(404)、固定环(405)、磁芯(406)和绕组(407)；所述环形座(404)为环形结构，所述磁芯(406)分为相同四部分沿环形座(404)周向等角度间隔设置，磁芯(406)的相同四部分共计由N个U型硅钢片组成；安装时，磁芯(406)嵌入环形座(404)，并通过固定环(405)紧固形成整体，所述绕组(407)均匀的在磁芯(406)的U型腔内绕轴向缠绕；所述第二磁悬浮组件与第一磁悬浮组件具有相同的组成和结构，二者关于所述阻力盘沿轴向对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述U型硅钢片沿厚度方向为扇形结构，其角度沿天平周向为r＝1°～2°。

4.根据权利要求1所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述阻力盘包括环形盘(409)、第一矩形硅钢片组(408)和第二矩形硅钢片组(410)；所述环形盘(409)为环形结构，其沿轴向两侧均有安装槽，所述第一矩形硅钢片组(408)由N个矩形硅钢片组成，分为相同四部分沿环形盘(409)周向等角度间隔嵌入环形盘(409)一侧的安装槽中；所述第二矩形硅钢片组(410)与第一矩形硅钢片组(408)具有相同的组成，沿环形盘(409)周向等角度间隔嵌入环形盘(409)另一侧的安装槽中。

5.根据权利要求4所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述矩形硅钢片沿厚度方向为扇形结构，其角度沿天平周向为r＝1°～2°。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件的U型硅钢片和阻力盘的矩形硅钢片沿天平周向设置的相对位置相同。

7.根据权利要求2-5中任一项所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述环形座(404)、固定环(405)和环形盘(409)均采用非导磁材料。

8.根据权利要求1所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述第一磁悬浮组件、第二磁悬浮组件与阻力盘之间的轴向间隙g＝0.3mm-0.4mm；所述第一限位螺母(403)与第一壳体(402)之间的轴向间隙以及第二限位螺母(419)与第三壳体(418)之间的轴向间隙t＝(g-0.1)mm；所述位移传感器(416)与硅钢片组(417)之间的径向单边间隙h＝0.5mm。

9.根据权利要求1所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述电控***包括位移测量组件(420)、信号放大器(421)和控制器(422)。

10.根据权利要求1所述的一种风洞试验模型阻力高精度测量的电磁天平装置，其特征在于：所述抑制装置(203)为机械式直线滚珠花键或电磁式五自由度抑制器。

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