DEVELOPMENT FOR HIGH PRECISION SIX COMPONENT STRAIN GAUGE BALANCE

The measurement accuracy of a wind tunnel balance is the key factor to improve the measurement accuracy for a test model in the wind tunnel. In order to improve the measurement accuracy of the wind tunnel balance, a great deal of investigation is carried out in China. This paper summarizes a program to improve the measurement accuracy of wind tunnel balances. In the program, the investigation is carried out in three aspects (1) designing a drag component of the balance in low interactions (2) choosing high quality foil strain gauges with temperature self-compensation (3) choosing the excellent gauges and mounting them meticulously. As an example, these research achievements are applied in a φ18 six component balance. The measurement accuracy of a GB-04 standard model in a transonic wind tunnel with the φ18 six component balance comes up to the advanced world standard.

脉冲风洞天平基础动力特征的简化计算方法

为了研究脉冲风洞天平基础在脉冲气动荷载作用下的动力响应特征,以某脉冲风洞为例,选择某典型气动荷载作用形式,建立了脉冲风洞天平基础在气动荷载作用下竖直方向、水平方向位移以及回转角度等动力特征的简化计算方法,并采用数值模拟的方法验证其可靠性.研究结果表明:天平基础在典型气动荷载作用下,竖直向最大振幅0.00175 mm,频率7.94 Hz,水平向最大振幅0.00283 mm,频率7.94 Hz,回转角度最大振幅0.00034°,频率7.94 Hz,典型气动荷载对天平基础振动影响较小,也未产生共振现象;基础振动最大振幅随气动荷载增大而增大,基础振动频率随气动荷载频率增大而增大;在气动荷载不变的条件下,基础振动的最大振幅与频率随尺寸的变大而变小,基础振动的最大振幅也随地基土性质的增强而减小,但地基土性质的变化对基础振动频率无影响.

六维压电风洞盒式天平研究

风洞试验是气动力载荷的精确测量手段。针对风洞试验中高频多维气动力的测量特点,采用压电测量元件,开发了一种适用于风洞试验中高频六维气动力测量的盒式天平。根据力与力矩平衡关系建立了输入与输出之间的理论输出模型,通过力传递关系及有限元仿真对气动热作用下天平被动输出进行了分析,并通过标定试验获得了天平性能指标。结果表明,该盒式天平在结构和材料上可抵抗测试过程中的温变干扰,温变影响系数小于0.5%,线性度和重复性误差分别低于0.4%和0.5%,最大相间干扰解耦后低于1.5%,三向一阶固有频率皆高于3000Hz,具有高固有频率、高精度的优良性能。

基于现代试验设计的风洞天平校准方法

风洞天平的校准精度直接决定了风洞试验的气动载荷测量精度,为了提升天平校准的质量和效率,以BCS-100天平校准系统为研究对象,基于现代试验设计方法(modern design of experiments,MDOE)开展了风洞天平校准研究。针对单因子变量法(one factor at a time,OFAT)天平校准中存在系统误差与响应量耦合的问题,采用MDOE的随机、重复和分块策略控制校准的系统误差,并选定响应面理论的中心复合设计方法生成校准矩阵。校准矩阵共计86个样本点,包括64个分级因子点、12个轴向因子点和10个中心因子点,其中所有样本点的加载顺序做随机化处理,并作为一个样本块在短时间内集中完成加载,中心因子点则用于满足重复原则。最后开展了OFAT和MDOE的对比校准,拟合载荷的残差正态概率分布显示MDOE校准中横侧向分量的样本点独立性更强,样本点残差最高可降低84%;检验载荷显示MDOE和OFAT两种方法中天平所有分量的综合加载重复性持平,MDOE校准中横侧向分量的综合加载误差最高可降低54%。研究表明MDOE能够有效降低校准的系统误差,提升横侧向小量的预测能力。

低速风洞应变天平通道极性判断方法

为提高低速风洞应变天平工作效率,提出一种直接单分量加载判断天平通道极性的方法。通过对单分量加载结果进行估计,筛选不同通道极性组合时的天平计算结果。实验结果表明:该方法能快速、有效地判断天平通道极性,并且不依靠经验,支持自动化程序化运行;对加载精度要求较低,容易满足实用要求。

温度梯度对天平轴向力测量精度影响分析

应变天平作为风洞试验的测量元件,保证天平的测量精度是相关领域的研究重点。但在连续式风洞中,由于风洞运行时间长及马赫数连续变换,天平体的温度会出现分布不均匀的情况,产生温度梯度。这种温度梯度对天平轴向力测量精度的影响尤为明显。为探究在连续式风洞中温度梯度对天平轴向力应变输出的影响,根据实际工况,总结出3种温度加载情况,利用ANSYS Workbench对80A天平进行热-固耦合分析。研究结果表明:在不考虑后支杆热传导的情况下,温度梯度基点的温度越高,温度输入越快,天平体的温度分布越不均匀,温度梯度越大,轴向力应变输出越大;在考虑后支杆热传导的情况下,天平体的温度分布相对均匀,温度梯度较小,轴向力热应变输出较小。

卷积神经网络在风洞天平静态校准中的应用

风洞天平是气动试验中用于测量作用在模型上的空气动力载荷(力与力矩)的大小、方向和作用点的装置,测量结果的精准度与天平的静态校准性能直接相关,天平的静态校准是通过校测设备建立天平测量信号与所受气动载荷的映射关系。由于多分量风洞天平的各个分量间存在相互干扰,并且通常二次干扰和组合干扰会出现非线性特性,采用线性拟合方法会产生一定的误差,使得风洞天平静态校准性能因受到数据处理方法(线性拟合)的局限而较难进一步提高。因此,为了进一步提升应变天平静态校准的性能,本文探索深度学习方法在风洞天平静态校准中的应用。利用中国科学院力学研究所风洞天平校准系统AiBCS,对六分量应变天平开展基于卷积神经网络的静态校准研究,采用深度学习训练模型代替传统风洞天平校准公式并获取更高性能指标。同时,对人工智能建模方法在天平静态校准中的适用条件、有效性及可靠性等方面进行了讨论和评估分析。数据结果显示:相较于传统的基于最小二乘多项式的拟合方法,卷积神经网络天平校准方法有效降低了天平各个分量间的载荷干扰,使校准结果的精准度得到了较大幅度的提升。

武汉某超高层住宅风荷载设计及风洞试验对比分析

对于高度超过150m且高宽比较大以及结构深宽比超过2的超高层建筑,由于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)对该类建筑的横风向风荷载计算缺乏相应的规定,因此荷载规范要求宜采用风洞试验进行补充验算。本项目采用目前国内外广泛应用的高频测力天平技术对武汉某183m高超高层剪力墙结构住宅建筑的模型进行了风洞试验,分析了结构的风振响应,并给出了该建筑物在不同风向角的风荷载作用下产生的基底反力和顶部加速度。将试验等效风荷载结果与按照荷载规范公式计算得到的结果进行对比分析,指出按照荷载规范公式进行结构抗风设计可能存在的问题,在结构设计中必要时可采用风洞试验对荷载规范进行补充验算以保证结构抗风设计的安全性。

2.4 m连续式跨声速风洞大飞机精细化测力试验技术

为满足大飞机研制对风洞测力试验数据精准度的需求,并适应2.4 m连续式跨声速风洞运行特点,中国航空工业空气动力研究院成功研发了多项精细化的测力试验技术。这些技术中,低热膨胀系数高强度天平和天平温度效应补偿与修正技术有效地减小了温度变化对天平数据的影响;角度传感器和视频相结合的直接测量方法与改进后的角度叠加测量方法,均提高了模型姿态角的测量精度;基于线性回归的天平初始载荷计算方法可以一次性获得各种试验状态下的天平初始载荷,并提高气动载荷计算的准确性;基于前后置减振器的主动振动抑制技术能降低模型振动对测量数据的干扰并拓宽迎角范围;弹性变形视频测量与CFD修正技术可以有效分离高雷诺数试验结果中的弹性变形对气动力的影响量。本文对这些试验技术的原理进行了详细介绍,并给出案例证明这些试验技术能够有效提高测力试验的精准度;与ETW风洞的对比试验显示,大展弦比民机模型的升力系数偏差约0.002,阻力系数偏差约0.000 2。

风洞天平实时载荷监测方法研究

针对当前风洞天平应用环境越来越复杂,但却缺乏有效的安全监测手段的现状,提出了一种基于应力叠加原理的风洞天平实时载荷监测方法;首先,分析天平受力情况,基于工程经验、天平应力集中位置以及应变计粘贴位置等因素划分危险载荷监测区域;其次,基于有限元方法对天平进行网格划分,计算载荷监测区网格节点的应力影响系数;最后,结合天平六元信号输出实时计算载荷监测区的节点应力值,并与有限元理论计算结果和静态校准加载结果进行对比验证;验证结果表明,有限元理论验证准度优于0.02%,静态校准加载验证阻力元准度优于10%,其余5元准度均优于4%;证明本方法具有较高的计算准度,能够满足风洞天平实时载荷监测的使用需求,具有较高的实际应用价值。

高性能商用车用散热器轻量化设计

为提高商用车冷却模块散热性能,实现冷却模块轻量化,采用计算流体动力学方法分析散热器的散热带高度、波峰距、开窗角度对散热性能的影响,得到最佳冷却模块性能参数;对散热器结构进行优化,并对优化后的散热器进行风洞试验和整车热平衡试验。结果表明:优化后的散热器质量减轻17.9%,散热性能提升1%~8%;通过优化散热带高度、波峰距以及开窗角度,可以提高冷却模块散热性能,实现轻量化,降低生产成本。

2.4米跨声速风洞大展弦比飞机测力试验技术研究

针对大展弦比飞机的气动布局特点,在2.4米跨声速风洞中开展了大展弦比飞机测力试验技术研究。该项研究建立了大升阻比高精度天平设计技术和模型支撑系统设计平台,研制了专用大升阻比高精度测力天平和模型支撑系统。在国内高速风洞中建立了大型跨声速风洞模型设计新准则。研究结果表明:所提出和制定的方案是科学合理的,为我国大飞机研制提供了可靠的技术支撑。

格构式塔架三维动力风荷载的风洞试验研究

通过底座天平测力风洞试验,测量了三种典型的格构式塔架(输电塔、通讯塔和电视塔)的顺风向、横风向和扭转向动力风荷载。由于模型本身的质量不够轻、刚度不够大,一阶共振力的影响不可忽视,本文作者推导了消除模型一阶共振影响的实用公式,进而得到格构式塔架顺、横、扭三维广义荷载谱和均方根广义力系数。最后,本文分析了这三种格构式塔架的动力风荷载特征,得到了几点重要的结论。

高层建筑风荷载高频测力天平试验技术

风荷载是高层建筑物的主要侧向控制荷载,准确地测量作用于建筑物上的静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应具有重要的工程意义.为此,采用目前国内外应用最广泛的高频动态天平技术对重庆某高层建筑的模型进行了风洞试验,研究了风荷载及其特性,给出了该建筑物在不同风向角的风荷载作用下产生的基底力与力矩系数,为该建筑物的结构抗风设计提供了依据.

六维力压电天平研制与静态性能测试研究

风洞天平是空气动力学试验的重要测力装置,针对压电天平动态响应速度快、跟随特性好、结构简单、量程范围大的特点,研制了一种可应用于风洞试验中动态气动荷载测量的压电天平.对压电天平的静态校准方法进行了研究,推导出其校准公式.在风洞天平校准台上,完成了压电天平的静态单分量校准与复合加载试验,得到压电天平的标定矩阵,压电天平的非线性误差和重复性误差分别为0.06%、0.19%,最大向间干扰1.94%.对试验结果进行误差分析,给出了压电天平测试系统的不确定度.试验结果表明:压电天平主要性能指标良好,满足测试精度要求.

基于并联机构的六分量并联天平及其力雅可比矩阵研究

为了由感测力导出被测模型受力 ,必须研究基于Stewart平台六维力传感器的力变换关系。本文将并联机构引入风洞天平 ,提出了并联天平的概念 ,应用并联机构学理论 ,对并联天平实现的关键理论问题即天平感测力与被测模型上所受的六维力的转化关系进行了研究 ,得到了二者转化的力雅可比矩阵 ,同时推导出基于 5个基本结构参数的雅可比矩阵条件数 ,并用数值算例加以验证。

Φ5m立式风洞旋转天平试验装置研制

Φ5m立式风洞旋转天平试验装置是为开展飞机尾旋特性研究而研制的重要基础设备,主要用于测定模型在绕风轴以不同速率作等速旋转状态下的气动特性,为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动参数。该装置采用双立柱弧形轨结构形式,采用网络一体化试验管理和控制模式,不但能够开展旋转天平试验,而且还具备动导数试验、大迎角试验、旋转/振荡耦合试验等功能。主要介绍旋转天平试验装置系统组成和设计,分析了引导性试验结果,最后给出了结论。

典型输电塔塔头风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对两种典型格构式输电塔塔头模型进行了不同紊流度下的风洞试验,得到了结构各个方向受到的风力系数的平均值和根方差。讨论了风力系数随风向的变化规律,以及紊流度和塔头外形对风力的影响。结果表明,两种输电塔塔头的平均风力以顺风向风力为主,而顺、横风向和扭矩向脉动风力都较大;紊流场对塔头模型平均力系数影响很小,基本可以忽略。相关性分析表明,塔头结构顺-横、顺-扭风向脉动风力的相关性很小,横-扭风向存在一定的相关性,风向和风场对相关性有一定的影响。谱分析表明,塔头结构顺风向主要表现为来流紊流激励,横风向力谱可能存在复杂的激励机制,扭转力谱是典型的宽频谱,来流紊流与涡脱激励是产生扭转力的主要原因。

广州新电视塔模型测力风洞试验及风致响应研究Ⅱ:风致响应分析

基于节段模型测力试验的结果,采用随机振动响应分析中的完全二次组合法(CQC)对广州新电视塔结构进行随机风致振动响应分析,包含振型之间交叉项对响应的影响。"串联多质点系"力学模型被用来模拟电视塔结构,每层质点可考虑两个水平方向的线位移和绕竖向参考轴的转动位移。通过计算确定该电视塔不同高度上的风致振动位移响应、加速度响应、截面内力响应。计算结果表明,电视塔结构极值位移、内力随风向有相同的变化规律并且天线结构鞭梢效应对加速度的影响程度远大于位移。同时提供的等效静力风荷载考虑多个模态及模态间交叉项对响应的影响,可用于计算电视塔结构的位移及内力根方差响应。

格构式塔架风力特性试验研究

应用高频测力天平技术,对格构式输电塔塔身模型进行了不同紊流度下的风洞试验,研究其风力特性。结果表明风场对塔架结构的平均风力系数影响较小,塔架结构平均风力以顺风向风力为主,顺风向的脉动风力大于横风向,扭转脉动力可以忽略不计。同时还对比了不同国家规范中关于格构式塔架平均阻力系数的规定。谱分析表明,塔架结构顺风向主要表现为来流紊流激励;横风向力谱较为复杂,可能存在复杂的激励机制;塔架扭转功率谱是一明显的宽频谱,较顺、横风向功率谱值小很多,且随紊流度谱值变化不大。相干性分析表明,塔架结构横风向基底剪力与基底扭矩的相干性较强,紊流度对其影响不大。