四分量片式铰链力矩天平技术及风洞实验应用研究

针对目前风洞铰链力矩实验中的一种三分量片式结构铰链力矩天平没有轴向力测量元件的不足,提出一种切实可行的四分量片式结构铰链力矩天平设计方案,进行了物理样机的研制,应用于某模型升降舵风洞铰链力矩实验中。实验结果与理论分析获得了良好的一致性,在舵面偏角为21°时,由忽略轴向力测量带来的舵面法向力系数相对误差百分比为14.7%,舵面弦向压心位置相对误差百分比为17.2%。

舵面天平技术及其在高超声速风洞的应用研究

介绍纵轴分离式和轮毂式铰链力矩天平的设计技术,及其近年来在Φ0.5m高超声速风洞铰链力矩试验中的应用情况。根据尾翼/弹身组合体全动操纵舵布局特点,通过采用天平不同的连接形式（纵轴分离式天平、轮毂式天平竖置和轮毂式天平斜置）,分别测量了3种舵面外形的气动特性,给出M=5-8之间舵面的法向力系数、铰链力矩系数和弦向压力中心随迎角的变化特性,定量描述了大迎角大舵偏角条件下,舵面气动特性的非线性效应,以及由此引起控制力增量的变化趋势。

横Π型梁在风洞应变天平阻力结构上的应用

主要通过对比传统T型梁和横Π型梁,对风洞应变天平的阻力测量梁进行了分析,根据分析结果提出了传统的横Π型阻力测量梁的改进方式,并通过有限元分析软件进行了优化分析,改进后的横Π型阻力测量梁降低了升力对阻力的干扰,并有利于提高天平阻力分量的稳定性。该测量梁结构应用到了某型飞机高速风洞试验测力天平上,天平静态校准结果与理论分析结果吻合,风洞试验时天平状态良好、性能稳定。

小尺寸应变天平设计方法研究

Φ0.3m高超声速低密度风洞测力试验模型尺寸小、天平载荷小、流场总温高,天平防热结构设计难,刚度要求和灵敏度要求矛盾突出,测力天平的研制难度大。采用数值仿真和风洞试验相结合的研究方法,对应用于该情况下的内式天平在温度影响和结构设计方面进行了研究。采用有限元方法对天平温度影响和结构应力分布做了详细分析,并对分析结果进行了风洞试验验证。结果表明:在实现天平结构优化设计及提高天平设计的准确性和可靠性方面,有限元分析设计方法是非常有效的技术途径。

2.4m跨声速风洞推力矢量试验测力系统研制与应用

推力矢量控制(TVC)技术能实现飞行器过失速机动飞行,使飞行器突破失速障、增强机敏性,在改善起降性能、巡航性能等方面具有重要作用。在2.4m跨声速风洞推力矢量试验中,采用3台六分量应变天平和2个独立的空气桥系统来实现飞机模型气动力和2个尾喷管转向喷流推进特性同时分别测量。推力矢量试验模型扁平外形使测力系统的布局及结构设计受到较大限制,狭小的模型内部需布置3台六分量天平、2套独立的空气桥系统及管路、支撑系统、压力测量系统等,采用传统方式无法完成如此复杂的系统设计,更无法完成高压条件下空气桥系统与测力天平的匹配设计。在测力系统的研制中,采用了一体化设计理念和刚度匹配设计方法,结合ANSYS有限元软件较好地解决了系统各部件的布局及结构优化等问题。天平校准结果和风洞试验结果证明测力系统满足推力矢量试验需求。

高超声速风洞舵面测力双天平技术及应用

介绍了舵面的双天平测力技术,以及它在0.5m高超声速风洞铰链力矩试验中的应用。天平为轮毂结构形式,竖置在一种十字型尾翼布局的体-尾组合体的后端。在一次吹风中可同时测量左右两片水平全动舵的气动特性,给出Ma=6舵面法向力、铰链力矩、弦向压力中心等系数随迎角的变化特性,定量描述大迎角大舵偏角条件下,舵面气动特性的非线性效应,以及由此引起控制力增量的变化趋势。

高速风洞铰链力矩天平进展

铰链力矩测力试验是主要的风洞试验项目之一,作为测力核心的铰链力矩天平受模型外形限制严重,结构不统一,在高速暂冲式风洞中还面临较大的冲击载荷以及天平温度分布梯度大等问题,实现精确测量难度很大。针对该问题,中国空气动力研究与发展中心高速所依靠其风洞硬件以及人才优势,开展了多个项目的铰链力矩天平攻关,经过多年的研究发展,研制出一系列结构独特的铰链力矩天平,基本满足了各类飞行器的高速风洞铰链力矩试验需求。

单固支带阻力元片式铰链力矩天平研制

受大展弦比试验模型和天平结构条件限制,在高速风洞中采用传统结构的片式铰链力矩天平难以实现对操纵舵气动力的精确测量,其主要原因是传统片式铰链力矩天平无阻力测量单元,无法测量阻力,使得阻力对铰链力矩测量的干扰无法修正,同时传统结构的片式铰链力矩天平在试验中受机翼变形影响较大,影响试验数据精准度。针对这一问题,在中国空气动力研究与发展中心高速所开展了单固支带阻力元片式铰链力矩天平结构设计研究,并成功应用于某飞机模型舵面铰链力矩测力试验。校准数据以及试验结果表明,该天平能够有效测量阻力,基本消除了机翼变形对测量的影响,同时还可以减小附加力矩,增加天平载荷匹配性,有效提高试验数据质量。

虚拟样机与天平研制

虚拟样机是一种数字产品模型,是一种新型的基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法,是将目前的CAD、CAE等CAx技术结合在一起的一种集成技术,贯穿于产品生命周期的全过程。应用虚拟样机技术现已成功地完成了多台天平及其支撑系统的研制,其在风洞应变天平及其相关设备的研制中将发挥越来越重要的作用。

应变天平矩形截面元件扭转应变计算准度分析

为了提高应变天平的整体结构刚度,设计者往往会采取尽量缩短矩形截面弹性元件'长度'尺寸L的措施,这就导致基于材料力学'杆件'扭转变形理论得出的扭转应变计算值与天平实际校准得出的应变值产生较大的误差。以扭转应变数值仿真结果εf为基准,分析了矩形截面元件的'长度'尺寸L对扭转应变工程方法计算结果εe准度的影响,并给出了两个验证算例。

套筒式张线天平的研制

根据民机张线测力试验的特殊要求,研制了一台套筒结构形式的张线天平。详细介绍了该天平在研制中遇到的难点、关键技术的解决措施以及研制的结果。天平元件布置在58mm的外套筒上,内杆直径为44mm,外套筒和内杆通过楔块焊接在一起。法向力、俯仰力矩和滚转力矩为拉压变形,横向力和偏航力矩为'S'形变形,轴向力为弯曲变形,元件支撑部分受拉压变形且刚度较强。通过对天平进行有限元分析,在法向力和俯仰力矩作用下,得出的应变结果与实际输出基本吻合。风洞试验结果表明:天平设计合理,天平外套筒、内杆及张线支撑系统刚度好,天平各分量测量精度高。

天平校准系统中位置姿态非接触式测量与计算方法

针对天平校准中的天平位置姿态的确定提出了一种非接触式测量法。该方法利用了ccd激光二维定位图象传感器或者是PSD光电位置传感器等二维测量装置组成三维位姿检测系统,解决了空间的三维测量问题,可以高速准确地确定天平被测物的6个自由度参数,获得天平位姿变换矩阵,从而确定其在空间的位置和姿态。本方法将运动过程分解为平动和转动,通过对空间直线矢量方程的计算,得到空间物体的位姿变换矩阵,数学建模准确,测量快速可靠,最终精度达到10μm。

国外低温内式应变天平技术研究进展

作为低温风洞测力试验的核心测试设备,低温天平受低温风洞气流温度低、温度变化大的影响,会产生零点温度漂移、灵敏度变化等一系列问题,对试验数据的精准度产生影响。因此,相较常温天平而言,低温天平的研制要求更多,难度也更大。在广泛调研国外低温天平研究进展与关键技术的基础上,系统介绍了低温天平的设计与优化、天平材料的选取及热处理、天平的加工与制造、天平应变片的匹配及粘贴、天平校准方法及校准设备等天平研制的多个关键环节,并对未来低温天平技术的发展进行了展望,为我国低温天平的研制及工程化应用提供参考。

翼型测力天平的研制

为研究翼型结冰状态下的载荷变化规律,对翼型进行测力实验。研制一台三分量翼型测力天平。天平设计的突出难点为设计载荷极不匹配,阻力测量载荷很小。设计时,针对翼型载荷的特点,采用片梁组合方式测量阻力,四柱梁测量法向力及俯仰力矩,并采用有限元方法对结构进行了验证计算。主要介绍天平的设计、校准及应用情况。

ANSYS在风洞天平设计中的应用

用传统的材料力学方法设计应变天平时要作较大的简化。笔者应用有限元分析软件ANSYS对风洞天平进行结构计算,得到天平在各种载荷作用下的应变场和位移分布,从而计算得到天平各测量元件的应变值和刚度,最后将ANSYS计算的各载荷作用下的应变值与材料力学计算值作了比较。

多支撑天平测量技术研究与应用

风洞天平是飞行器风洞测力试验的主要测量设备,在风洞试验中发挥着不可替代的作用。多为六分量测力天平,以单支撑的方式进行试验测量。随着导弹、飞机等新型号研制和发展,无论是风洞试验还是挂载试飞,对于多支撑天平测量有了新的需求。文中针对于多支撑天平整体校准测量的局限性问题进行分析,提出多分量天平单独校准、组合测量的技术方案,有效解决了多支撑天平的试验测量问题。

某飞机部件测力风洞试验天平研制与应用

为满足某飞机部件高速风洞测力试验的需要,研制了四台部件测力天平,用来同时测量飞机机翼不同部件(全翼、外翼、翼尖弹、弹架组合)所受的气动载荷。由于是全模试验,天平的设计载荷不匹配,安装空间极度受限。设计时,全翼天平采用了机身中部安装方案、外翼天平与机翼加工成一体并且采用了新型多柱梁结构;翼尖弹天平和弹架组合天平采用了杆式天平方案。上述措施不仅满足了天平的测量需要,也确保了天平在模型中的安装位置以及测力的有效性。该部件测力试验已经在中国空气动力研究与发展中心FL-26风洞完成。试验结果表明,天平测力结果准确可靠,精准度高,达到了预期的目标。