小桿徑大載荷風洞天平研制

冷菊麗

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034)

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【機械與電子工程】

小桿徑大載荷風洞天平研制

冷菊麗

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034)

隨著增壓風洞試驗需求日益增多，對于風洞試驗天平的承載測量能力有了更高的需求。由于常規(guī)天平結構特點的限制，已經沒有提升承載能力的空間。為此，開發(fā)了一種新式風洞天平，可滿足該方面的風洞試驗要求。該天平以浮框結構天平設計理念為基礎，以拉壓變形為主要的變形測量形式，采用裝配及焊接型式為總體的結構構成，有效提高了同尺寸天平的承載能力及剛度,實際使用效果良好。

風洞試驗；風洞天平；小桿徑大載荷

飛行器的研制離不開風洞試驗[1]，測力實驗是風洞實驗中最基本的實驗項目。風洞天平[2-3]是測力實驗中最重要的測量裝置，用于測量作用在模型上的空氣動力載荷(力與力矩)的大小、方向與作用點，天平的精、準度直接影響風洞測力試驗數(shù)據(jù)的可靠性。隨著飛行器研制，對風洞天平的測量準度、承載能力、響應頻率等方面有了更高的要求。

大展弦比、小后掠角機翼[4]的民機及大后掠角、尖前緣機翼[5]的戰(zhàn)機是現(xiàn)在飛行器發(fā)展的主流方向。由于雷諾數(shù)[6]對于該類飛行器的試驗數(shù)據(jù)的影響較大，因此對于此類型的飛行器的風洞試驗都需要提高試驗的雷諾數(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、生產效率高而被廣泛采用，但壓力的增加意味著試驗載荷的增大，要求同尺寸的測量天平承載能力相應增加到常壓下的2.5倍左右。由于常規(guī)內式應變天平為整體結構，為滿足天平測量靈敏度及力的機械結構分解的要求，材料體切割比較嚴重，其承載能力也受到較大得影響，如現(xiàn)在常用桿徑45 mm天平可實現(xiàn)的最大設計載荷為15 kN而增壓試驗模型載荷約為40 kN。因此需要研制一種新型結構的風洞天平，以滿足增壓情況下尺寸相同、載荷提高的試驗需求。

美國蘭利宇航中心對于高承載能力的天平已經作過研究，并取得了較好的研究結果，同尺寸的天平承載能力提高一倍左右[8]。國內對此尚無成功的經驗。我們通過對多種形式的天平結構進行分析，在提高天平本身剛度、天平模型連接剛度、天平的測量載荷、天平固定端支撐端剛度等方面進行深入研究，得出滿足要求的焊接、裝配連接形式的浮框式天平結構，并完成了設計、加工、粘貼、校準及風洞試驗工作。

1 擬定天平設計載荷

本次設計的天平直徑為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)天平的載荷對比見表1。

表1 常規(guī)天平載荷與本次設計天平載荷對比

其中：Y為升力，Mz為俯仰力矩，Mx為滾轉力矩，X為阻力，Z為側力，My為編航力矩。

2 天平結構設計

2.1 提高天平本身剛度設計

縮短天平元件尺寸，將橫縱方向力的測量安排在天平的同一截面內，并內置天平阻力元件，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計

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 提高天平的測量載荷設計

①改變法向力、法向力矩、側向力、側向力矩，滾轉力矩的變形為拉壓變形，從而最大限度地減小滾轉力矩的變形量。同時，將其測量元件安排在天平的外框圓周上，天平的外框設計為若干拉壓梁元件的結構，這樣的結構可以滿足上述5個力的小應變大載荷的測量。

②外框與支撐桿的連接要滿足較高剛度和可靠性的要求。我們在保證測量的基礎上，盡量縮短拉壓元件長度、增大連接耳片的面積，并采用電子束焊接的連接形式。

③阻力的測量也是設計難度最大的地方。外框的拉壓變形測量法向力、法向力矩、側向力、側向力矩、滾轉力矩，雖對阻力承擔的變形為彎曲變形，但阻力量相比之下太小，產生的應變太小以致天平不能測量出來，對此我們將阻力測量設計為以拉壓模式，測量部分為彎曲變形的口字形鉸接元件，這樣的結構可將70%的阻力承擔到其測量元件上，并會有較大的應變輸出。

④阻力元件的連接也是設計與加工的一大難點。將阻力元件安排在天平內腔里，又要在其表面粘貼應變片組成橋路，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，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 天平結構

最終天平設計結構見圖1。

4 天平校準

4.1 天平校準及方法

該天平在中國航空工業(yè)空氣動力研究院BACS1500自動天平校準臺進行全自動體軸校準。BACS1500天平校準臺具有加載準確、復位速度快、能充分體現(xiàn)體軸校準主元、突出干擾量較小的體軸校準優(yōu)勢等特點。天平加載方法為多元加載[9-10]。

4.2 天平校準載荷與電壓信號曲線分析

除阻力外，天平信號與載荷線性關系良好，還具有較好的正負對稱性及重復性。阻力同向載荷與電壓信號呈現(xiàn)線性關系，且重復性良好，但異向同載荷對稱性不好。原因可能有3種：① 天平與校準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。這些因素雖在設計中給予了考慮，但其影響依然比較嚴重。對此的處理方法是對天平在阻力受載正、負向時采用兩套公式進行計算。天平載荷與電壓曲線見圖2。

4.3 天平校準準度指標

天平粘貼、組橋完成后在中國航空工業(yè)空氣動力研究院BACS1500天平校準臺上進行校準，校準指標基本達到國軍標合格水平，具體結果見表2。

表2 天平校準準度指標

其中：Y為升力，Mz為俯仰力矩，Mx為滾轉力矩，X為阻力，Z為側力，My為編航力矩。

5 大載荷天平風洞動校試驗

小桿徑大載荷天平經加工、校準后進行了一期的風洞動校試驗。選擇風洞為中國航空工業(yè)空氣動力研究院FL-2風洞，模型為某型號金屬通氣模型。以M=0.8時試驗重復性的形式給出天平動校結果。試驗結果表明本天平精度達到合格指標范圍，具體指標見表3。其中：σ為試驗攻角，M為試驗馬赫數(shù)。

表3 小桿徑大載荷天平試驗精度

6 結論

(1)小桿徑大載荷天平可以滿足空間小載荷大的模型結構的增壓風洞測量需要；

(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，以拉壓變形為主的應變測量方式，可有效地提高天平的整體剛度及承載測量能力；

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

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

(5)小桿徑大載荷天平風洞動校試驗重復性良好，試驗精度滿足國軍標要求。

[1]范潔川.風洞實驗手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]賀德馨.風洞天平[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[3]賀德馨.風洞天平技術論文集[M]. 北京：中國空氣動力研究與發(fā)展中心，1998.

[4]孟宣市，喬志德，高超. 低背鰭對細長平板三角翼大迎角空氣動力學的影響[J]. 航空學報，2007,28(3)：545-549.

[5]吳希拴，師小娟，王建培. 無人機氣動特性改進及風洞試驗研究[J]. 空氣動力學學報，2004,22(1):36-40.

[6]李鋒，白鵬，石文. 微型飛行器低雷諾數(shù)空氣動力學[J]. 力學進展，2007，37(2)：257-267.

[7]范杰川，于濤.建造中的我國低速增壓風洞[J].實驗流體力學，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.應變天平多元校中幾種數(shù)據(jù)處理方法的比較[J].氣動實驗與測量控制，1994，8(3)：55-58.

[10]武傳江.靜校方法和數(shù)據(jù)處理對天平工作公式精準度的影響[J].氣動實驗與測量控制，1989,3(2):78-82.

(責任編輯：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：天平和模型設計。

TH715.1

A

1673-4939(2017)01-0046-04