冷菊麗

(中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034)

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【機(jī)械與電子工程】

小桿徑大載荷風(fēng)洞天平研制

冷菊麗

(中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034)

隨著增壓風(fēng)洞試驗(yàn)需求日益增多，對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)天平的承載測(cè)量能力有了更高的需求。由于常規(guī)天平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，已經(jīng)沒(méi)有提升承載能力的空間。為此，開(kāi)發(fā)了一種新式風(fēng)洞天平，可滿足該方面的風(fēng)洞試驗(yàn)要求。該天平以浮框結(jié)構(gòu)天平設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，以拉壓變形為主要的變形測(cè)量形式，采用裝配及焊接型式為總體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，有效提高了同尺寸天平的承載能力及剛度,實(shí)際使用效果良好。

風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)洞天平；小桿徑大載荷

飛行器的研制離不開(kāi)風(fēng)洞試驗(yàn)[1]，測(cè)力實(shí)驗(yàn)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中最基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。風(fēng)洞天平[2-3]是測(cè)力實(shí)驗(yàn)中最重要的測(cè)量裝置，用于測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷(力與力矩)的大小、方向與作用點(diǎn)，天平的精、準(zhǔn)度直接影響風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。隨著飛行器研制，對(duì)風(fēng)洞天平的測(cè)量準(zhǔn)度、承載能力、響應(yīng)頻率等方面有了更高的要求。

大展弦比、小后掠角機(jī)翼[4]的民機(jī)及大后掠角、尖前緣機(jī)翼[5]的戰(zhàn)機(jī)是現(xiàn)在飛行器發(fā)展的主流方向。由于雷諾數(shù)[6]對(duì)于該類飛行器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較大，因此對(duì)于此類型的飛行器的風(fēng)洞試驗(yàn)都需要提高試驗(yàn)的雷諾數(shù)。目前提高雷諾數(shù)的方法有低溫及增壓兩種[7]。增壓方法成本低、生產(chǎn)效率高而被廣泛采用，但壓力的增加意味著試驗(yàn)載荷的增大，要求同尺寸的測(cè)量天平承載能力相應(yīng)增加到常壓下的2.5倍左右。由于常規(guī)內(nèi)式應(yīng)變天平為整體結(jié)構(gòu)，為滿足天平測(cè)量靈敏度及力的機(jī)械結(jié)構(gòu)分解的要求，材料體切割比較嚴(yán)重，其承載能力也受到較大得影響，如現(xiàn)在常用桿徑45 mm天平可實(shí)現(xiàn)的最大設(shè)計(jì)載荷為15 kN而增壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼d荷約為40 kN。因此需要研制一種新型結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞天平，以滿足增壓情況下尺寸相同、載荷提高的試驗(yàn)需求。

美國(guó)蘭利宇航中心對(duì)于高承載能力的天平已經(jīng)作過(guò)研究，并取得了較好的研究結(jié)果，同尺寸的天平承載能力提高一倍左右[8]。國(guó)內(nèi)對(duì)此尚無(wú)成功的經(jīng)驗(yàn)。我們通過(guò)對(duì)多種形式的天平結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在提高天平本身剛度、天平模型連接剛度、天平的測(cè)量載荷、天平固定端支撐端剛度等方面進(jìn)行深入研究，得出滿足要求的焊接、裝配連接形式的浮框式天平結(jié)構(gòu)，并完成了設(shè)計(jì)、加工、粘貼、校準(zhǔn)及風(fēng)洞試驗(yàn)工作。

1 擬定天平設(shè)計(jì)載荷

本次設(shè)計(jì)的天平直徑為45 mm，載荷是常規(guī)同等直徑天平最大載荷的兩倍，其與常規(guī)天平的載荷對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 常規(guī)天平載荷與本次設(shè)計(jì)天平載荷對(duì)比

其中：Y為升力，Mz為俯仰力矩，Mx為滾轉(zhuǎn)力矩，X為阻力，Z為側(cè)力，My為編航力矩。

2 天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 提高天平本身剛度設(shè)計(jì)

縮短天平元件尺寸，將橫縱方向力的測(cè)量安排在天平的同一截面內(nèi)，并內(nèi)置天平阻力元件，天平元件整體并連于天平軸線方向。

2.2 提高天平變形端剛度設(shè)計(jì)

改變天平與模型的連接形式，采用銷釘加柱面連接形式，這樣模型與天平外框連接為一體，大大提高了天平變形端剛度。

2.3 提高天平的測(cè)量載荷設(shè)計(jì)

①改變法向力、法向力矩、側(cè)向力、側(cè)向力矩，滾轉(zhuǎn)力矩的變形為拉壓變形，從而最大限度地減小滾轉(zhuǎn)力矩的變形量。同時(shí)，將其測(cè)量元件安排在天平的外框圓周上，天平的外框設(shè)計(jì)為若干拉壓梁元件的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)可以滿足上述5個(gè)力的小應(yīng)變大載荷的測(cè)量。

②外框與支撐桿的連接要滿足較高剛度和可靠性的要求。我們?cè)诒ＷC測(cè)量的基礎(chǔ)上，盡量縮短拉壓元件長(zhǎng)度、增大連接耳片的面積，并采用電子束焊接的連接形式。

③阻力的測(cè)量也是設(shè)計(jì)難度最大的地方。外框的拉壓變形測(cè)量法向力、法向力矩、側(cè)向力、側(cè)向力矩、滾轉(zhuǎn)力矩，雖對(duì)阻力承擔(dān)的變形為彎曲變形，但阻力量相比之下太小，產(chǎn)生的應(yīng)變太小以致天平不能測(cè)量出來(lái)，對(duì)此我們將阻力測(cè)量設(shè)計(jì)為以拉壓模式，測(cè)量部分為彎曲變形的口字形鉸接元件，這樣的結(jié)構(gòu)可將70%的阻力承擔(dān)到其測(cè)量元件上，并會(huì)有較大的應(yīng)變輸出。

④阻力元件的連接也是設(shè)計(jì)與加工的一大難點(diǎn)。將阻力元件安排在天平內(nèi)腔里，又要在其表面粘貼應(yīng)變片組成橋路，所以阻力元件必須具有可拆裝性，又要具有安裝間隙小、連接可靠的特點(diǎn)，但柱銷的連接根本不能滿足要求。這里我們采用1∶50的錐銷和1∶50的梯形鍵，將阻力元件分別固定在天平的固定端與支撐端上。

3 天平結(jié)構(gòu)

最終天平設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

4 天平校準(zhǔn)

4.1 天平校準(zhǔn)及方法

該天平在中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院BACS1500自動(dòng)天平校準(zhǔn)臺(tái)進(jìn)行全自動(dòng)體軸校準(zhǔn)。BACS1500天平校準(zhǔn)臺(tái)具有加載準(zhǔn)確、復(fù)位速度快、能充分體現(xiàn)體軸校準(zhǔn)主元、突出干擾量較小的體軸校準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)。天平加載方法為多元加載[9-10]。

4.2 天平校準(zhǔn)載荷與電壓信號(hào)曲線分析

除阻力外，天平信號(hào)與載荷線性關(guān)系良好，還具有較好的正負(fù)對(duì)稱性及重復(fù)性。阻力同向載荷與電壓信號(hào)呈現(xiàn)線性關(guān)系，且重復(fù)性良好，但異向同載荷對(duì)稱性不好。原因可能有3種：① 天平與校準(zhǔn)錐套連接為柱面連接，連接形式不夠可靠；②天平阻力元件的固定端與天平的內(nèi)套之間的連接為銷釘連接，連接不夠可靠；③天平阻力元件的變形端與天平的外套之間的連接為梯形鍵連接，連接不夠可靠。這些因素雖在設(shè)計(jì)中給予了考慮，但其影響依然比較嚴(yán)重。對(duì)此的處理方法是對(duì)天平在阻力受載正、負(fù)向時(shí)采用兩套公式進(jìn)行計(jì)算。天平載荷與電壓曲線見(jiàn)圖2。

4.3 天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度指標(biāo)

天平粘貼、組橋完成后在中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院BACS1500天平校準(zhǔn)臺(tái)上進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)軍標(biāo)合格水平，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度指標(biāo)

其中：Y為升力，Mz為俯仰力矩，Mx為滾轉(zhuǎn)力矩，X為阻力，Z為側(cè)力，My為編航力矩。

5 大載荷天平風(fēng)洞動(dòng)校試驗(yàn)

小桿徑大載荷天平經(jīng)加工、校準(zhǔn)后進(jìn)行了一期的風(fēng)洞動(dòng)校試驗(yàn)。選擇風(fēng)洞為中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院FL-2風(fēng)洞，模型為某型號(hào)金屬通氣模型。以M=0.8時(shí)試驗(yàn)重復(fù)性的形式給出天平動(dòng)校結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明本天平精度達(dá)到合格指標(biāo)范圍，具體指標(biāo)見(jiàn)表3。其中：σ為試驗(yàn)攻角，M為試驗(yàn)馬赫數(shù)。

表3 小桿徑大載荷天平試驗(yàn)精度

6 結(jié)論

(1)小桿徑大載荷天平可以滿足空間小載荷大的模型結(jié)構(gòu)的增壓風(fēng)洞測(cè)量需要；

(2)小桿徑大載荷天平采用前、中、后三段的柱面配合連接形勢(shì)，以拉壓變形為主的應(yīng)變測(cè)量方式，可有效地提高天平的整體剛度及承載測(cè)量能力；

(3)小桿徑大載荷天平對(duì)于加工、裝配精度要求較高，加工制造時(shí)需要嚴(yán)格按圖紙要求修配連接；

(4)小桿徑大載荷天平校準(zhǔn)的加載與電壓曲線基本合理，各元間的干擾量較小，達(dá)到較好的機(jī)械機(jī)構(gòu)分解及電器分解效果；

(5)小桿徑大載荷天平風(fēng)洞動(dòng)校試驗(yàn)重復(fù)性良好，試驗(yàn)精度滿足國(guó)軍標(biāo)要求。

[1]范潔川.風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]賀德馨.風(fēng)洞天平[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

[3]賀德馨.風(fēng)洞天平技術(shù)論文集[M]. 北京：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，1998.

[4]孟宣市，喬志德，高超. 低背鰭對(duì)細(xì)長(zhǎng)平板三角翼大迎角空氣動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 航空學(xué)報(bào)，2007,28(3)：545-549.

[5]吳希拴，師小娟，王建培. 無(wú)人機(jī)氣動(dòng)特性改進(jìn)及風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2004,22(1):36-40.

[6]李鋒，白鵬，石文. 微型飛行器低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)[J]. 力學(xué)進(jìn)展，2007，37(2)：257-267.

[7]范杰川，于濤.建造中的我國(guó)低速增壓風(fēng)洞[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2005,19(3):1-6.

[8]DENNIS B, DAVE K, PHIL M. Development of the six component high-capacity flexure force balance[C]. Reno 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2006.

[9]武家陶.應(yīng)變天平多元校中幾種數(shù)據(jù)處理方法的比較[J].氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量控制，1994，8(3)：55-58.

[10]武傳江.靜校方法和數(shù)據(jù)處理對(duì)天平工作公式精準(zhǔn)度的影響[J].氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量控制，1989,3(2):78-82.

(責(zé)任編輯：鞠衍清)

Design of a wind-tunnel balance with small diameter and heavy load

LENG Ju-li

(AVICAerodynamicsResearchInstitute,Shengyang110034,China)

The increasing pressurized wind tunnel tests require more bearing capacity of wind-tunnel balance, while the bearing capacity of traditional balances can not be increased due to the limitation of their structure. In this study, a wind-tunnel balance with more load capacity was developed. The balance was designed based on the concept of the floating frame structure balance with the tensile deformation as the main deformation measurement type. Its overall structure was assemblied and welded. The practical application results show that the bearing capacity and rigidity of this balance are remarkably improved comparing with the balances with the same size.

wind tunnel test；wind tunnel balance；small diameter and heavy load

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.10

2016-11-21

冷菊麗(1969—)，女，遼寧莊河人，工程師，研究方向：天平和模型設(shè)計(jì)。

TH715.1

A

1673-4939(2017)01-0046-04