一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置的制作方法

1.本发明涉及高速风洞试验技术领域，尤其涉及一种脉冲燃烧风洞模型支架
-ꢀ
天平一体化测力装置。


背景技术：

2.获取一体化飞行器模型在试验过程中所受到(产生)气动力载荷，是脉冲燃烧风洞的风洞试验的主要目的之一。由于脉冲燃烧风洞试验时间很短(约0.3s)、冲击载荷大，要获得飞行器模型在试验过程中所受到的气动力载荷非常困难，这使得测力技术成为脉冲燃烧风洞试验的关键技术之一。
3.要在测得高超声飞行器试验模型所受到(产生)的气动力载荷，必须保证测力天平在有效试验时间内能够测得至少6个周期的振动信号，现阶段试验模型多采用不锈钢和铝合金材料加工，模型质量较重，对于喷管直径为600mm的脉冲燃烧风洞，试验模型质量可达500kg，对于喷管直径为2.4m的脉冲燃烧风洞，试验模型的质量可达3.5t，因此要测得试验过程中飞行器试验模型所受到(产生)的气动力载荷，测力天平必须具有很高的刚度，这使得应变式测力天平成为脉冲燃烧风洞测力方式的最佳选择。
4.现有的脉冲燃烧风洞应变天平测力支撑方式主要有尾支和背支(或腹支)两种，尾支支撑方式主要应用于质量较轻、尺度较小的模型测力，且对于机体/推进一体化飞行器试验模型，由于尾支杆的存在，会破坏模型内部发动机流道，对于一体化飞行器试验模型测力造成很大影响，背支(或腹支)支撑方式在一定程度上消除了支撑方式对一体化飞行器试验模型发动机流道的影响，且背支(或腹支)所采用的测力天平为盒式天平，设计时刚度可以更高，更加有利于天平测力，但是背支(或腹支)支架对模型周围气流的影响则只能通过cfd方法进行修正，而且现有的背支支撑方式天平均安装于模型内部，导致模型内可用用于安装油路系统或其他设备的空间大幅度减小，不利于风洞试验的开展，但现阶段脉冲燃烧风洞试验测力仍然多采用背支(或腹支)的方式开展。
5.采用背支(或腹支)的测力系统设计方式为模型、天平、支架三部分独立设计，试验时将支架固定于风洞地基上，测力天平安装于支架上，最后将模型安装在测力天平上。但是一体化飞行器最显著的特点之一就是扁平比很高，模型内部可用空间十分有限，且还需要安装大量的供油装置、数据测量装置等，模型设计时留给测力天平的可用完整空间很小，给模型设计带来很大难度。


技术实现要素：

6.本发明意在提供一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置，以解决现有的支架、天平对试验模型内部空间占用大的问题。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种脉冲燃烧风洞模型支架
-ꢀ
天平一体化测力装置，包括上板和下板，所述上板和下板之间固定有天平主体，所述天平主体包括上测量部和下支撑部，所述上测量部包括底座，所述底座与下支撑部固接，所述底座的上
端中部设有两第一测量梁，所述底座的上端两侧对称设有第二测量梁，所述第一测量梁的上端和第二测量梁的上端共同设有一中隔板，所述中隔板的上端中部设有第三测量梁，所述中隔板的上端两侧对称设有第四测量梁，所述第三测量梁和第四测量梁的上端共同设有顶板，所述顶板与上板固接，两根第一测量梁布置有惠斯通电桥y3，两根第二测量梁分别布置有惠斯通电桥y1和惠斯通电桥y2，所述第三测量梁与两侧的第四测量梁之间分别布置有惠斯通电桥x1和惠斯通电桥x2，所述惠斯通电桥x1和惠斯通电桥x2用于测量试验模型所受的轴向力，所述惠斯通电桥y1、惠斯通电桥y2和惠斯通电桥y3 用于测量试验模型所受的法向力和俯仰力矩，所述上测量部罩有保护罩，所述保护罩与顶板分离，所述天平主体的背风侧设有出线整流罩，所述出线整流罩的容纳空间两端分别贯通上板和下板。
8.优选地，所述底座的上端两侧均设有基座，所述顶板的下端和中隔板的两侧均与基座的对应侧面之间留有间隙i。
9.优选地，所述基座靠近中隔板的侧面上下两端分别设有第一限位块和第二限位块，所述顶板的下侧设有与第一限位块相配合的第三限位块。
10.优选地，两根第一测量梁沿底座的径向前后布置，前侧的第一测量梁的上端前侧与中隔板固接，前侧的第一测量梁的上端后侧与中隔板留有间隙ⅱ，后侧的第一测量梁的上端后侧与中隔板固接，后侧的第一测量梁的上端前侧与中隔板同样留有间隙ⅱ，前侧的第一测量梁的后端面粘贴有应变计y32，后侧的第一测量梁的前端面粘贴有应变计y33，前侧的第一测量梁的前端面下部和后侧的第一测量梁的后端面下部均设有第一缺口，前侧的第一缺口的竖向端面粘贴有应变计 y31，后侧的第一缺口的竖向端面粘贴有应变计y34，所述应变计y31、应变计 y32、应变计y33和应变计y34组成惠斯通电桥y3；两根第二测量梁的相背端面下部均设有第二缺口，左侧第二测量梁的上端左侧和右侧第二测量梁的上端右侧均与中隔板固接，左侧第二测量梁的上端右侧和右侧第二测量梁的上端左侧均与中隔板留有间隙ⅲ，左侧第二测量梁的右端面前后分别粘贴有应变计y12和应变计y14，右侧第二测量梁的左端面前后分别粘贴有应变计y21和应变计y23，左侧第二缺口的竖向端面前后分别粘贴有应变计y11和应变计y13,右侧第二缺口的竖向端面前后分别粘贴有应变计y22和应变计y24，所述应变计y11、应变计 y12、应变计y13和应变计y14组成惠斯通电桥y1，所述应变计y21、应变计y22、应变计y23和应变计y24组成惠斯通电桥y2；所述第三测量梁的左端面前后分别粘贴有应变计x24和应变计x21，所述第三测量梁的右端面前后分别粘贴有应变计x23和应变计x22，所述应变计x21、应变计x22、应变计x23和应变计x24 组成惠斯通电桥x2，左侧第四测量梁的右端面前后分别粘贴有应变计x11和应变计x13，右侧第四测量梁的左端面前后分别粘贴有应变计x12和应变计x14，所述应变计x11、应变计x12、应变计x13和应变计x14组成惠斯通电桥x1。
11.优选地，所述间隙i、间隙ⅱ和间隙ⅲ宽度范围为1mm-2mm。
12.优选地，所述上板和下板均轴向间隔分布有两个销钉孔，且围绕两个销钉孔间隔分布有若干螺钉孔，所述上板和下板均通过销钉与天平主体定位，所述上板和下板均通过螺钉与天平主体固定连接，所述上板和下板的前后两侧均间隔分布有若干螺纹间隙孔，所述上板的螺纹间隙孔为沉头螺钉孔。
13.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
14.(1)本发明实现了脉冲燃烧风洞测力系统的支架、天平一体化设计，既吸收了盒式
应变天平刚度高的特点，又大大节约了试验模型内部的空间，为供油装置、传感器等零部件的安装释放了模型空间。
15.(2)本发明通过上层的惠斯通电桥x1和惠斯通电桥x2实现试验模型的轴向力测量，通过下层的惠斯通电桥y1、惠斯通电桥y2和惠斯通电桥y3的不同组合方式实现实验模型的法向力和俯仰力矩，具有测量精确、操作容易的优点。
16.(3)本发明设计了保护罩，使得测量元件不暴露在风洞气流中，防止高温破坏；本发明设计了基座和各限位块组成的防过载装置，实现了对测力天平过载条件下的机械保护，防止测力装置上板变形过大时引起测量元件机械损坏；本发明设计了出线整流罩，避免从试验模型引出的各线路管路被高温风洞气流破坏。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置的结构示意图；
18.图2为图1去掉保护罩和出线保护罩的结构示意图；
19.图3为图1的俯视图；
20.图4为图1的仰视图；
21.图5图1中上测量部的应变计贴片图；
22.图6为图1中上测量部的天平电路图；
具体实施方式
23.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
24.说明书附图中的附图标记包括：上板1、天平主体2、下板3、保护罩4、出线整流罩5、销钉孔6、螺钉孔7、螺纹间隙孔8、底座9、第一测量梁10、第二测量梁11、中隔板12、第三测量梁13、第四测量梁14、顶板15、出线口16、基座17、第一限位块18、第二限位块19、第三限位块20。
25.如图1至图6所示的，一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置，包括上板1和下板3，上板1和下板3之间固定有天平主体2，天平主体2呈近似平行四边形的梯形设计，上板1和下板3均沿轴向间隔分布有两个销钉孔6，上板1围绕两个销钉孔6间隔分布有八个螺钉孔7，下板3围绕两个销钉孔6分布有七个螺钉孔7，上板1通过与销钉孔6配合的φ16销钉与天平主体2定位，下板3通过与销钉孔6配合的φ20销钉与天平主体2定位，上板1通过与螺钉孔7配合的m12的螺钉与天平主体2固定连接，下板3通过与螺钉孔7配合的 m16的螺钉与天平主体2固定连接，上板1和下板3的螺钉孔7、销钉孔6处均开有倒角，以便于螺钉、销钉的安装。上板1的前后两侧均间隔分布有五个φ11 螺纹间隙孔8，用于将本装置与试验模型安装连接，下板3的前后两侧均间隔分布有四个φ18螺纹间隙孔8，用于将测力装置与风洞地基连接。其中，上板1 的螺纹间隙孔8为沉头螺钉孔7，以保证螺钉安装后螺帽不会占用模型空间。
26.天平主体2包括上测量部和下支撑部，上测量部包括底座9，底座9与下支撑部固接，底座9的上端中部设有两第一测量梁10，底座9的上端两侧对称设有第二测量梁11，第一测量梁10的上端和第二测量梁11的上端共同设有一中隔板12。两根第一测量梁10沿底座9
的径向前后布置，前侧的第一测量梁10 的上端前侧与中隔板12固接，前侧的第一测量梁10的上端后侧与中隔板12留有间隙ⅱ，后侧的第一测量梁10的上端后侧与中隔板12固接，后侧的第一测量梁10的上端前侧与中隔板12同样留有间隙ⅱ，前侧的第一测量梁10的后端面粘贴有应变计y32，后侧的第一测量梁10的前端面粘贴有应变计y33，前侧的第一测量梁10的前端面下部和后侧的第一测量梁10的后端面下部均设有第一缺口，前侧的第一缺口的竖向端面粘贴有应变计y31，后侧的第一缺口的竖向端面粘贴有应变计y34，应变计y31、应变计y32、应变计y33和应变计y34组成惠斯通电桥y3；两根第二测量梁11的相背端面下部均设有第二缺口，左侧第二测量梁11的上端左侧和右侧第二测量梁11的上端右侧均与中隔板12固接，左侧第二测量梁11的上端右侧和右侧第二测量梁11的上端左侧均与中隔板12留有间隙ⅲ，左侧第二测量梁11的右端面前后分别粘贴有应变计y12和应变计y14，右侧第二测量梁11的左端面前后分别粘贴有应变计y21和应变计y23，左侧第二缺口的竖向端面前后分别粘贴有应变计y11和应变计y13,右侧第二缺口的竖向端面前后分别粘贴有应变计y22和应变计y24，应变计y11、应变计y12、应变计y13和应变计y14组成惠斯通电桥y1，应变计y21、应变计y22、应变计y23 和应变计y24组成惠斯通电桥y2。惠斯通电桥y1、惠斯通电桥y2和惠斯通电桥 y3用于测量试验模型所受的法向力和俯仰力矩。
27.中隔板12的上端中部设有第三测量梁13，中隔板12的上端两侧对称设有第四测量梁14，第三测量梁13的上端设有垫板，第三测量梁13通过垫板和第四测量梁14的上端共同设有顶板15，顶板15与上板1固接。第三测量梁13的左端面前后分别粘贴有应变计x24和应变计x21，第三测量梁13的右端面前后分别粘贴有应变计x23和应变计x22，应变计x21、应变计x22、应变计x23和应变计x24组成惠斯通电桥x2，左侧第四测量梁14的右端面前后分别粘贴有应变计x11和应变计x13，右侧第四测量梁14的左端面前后分别粘贴有应变计x12 和应变计x14，应变计x11、应变计x12、应变计x13和应变计x14组成惠斯通电桥x1。惠斯通电桥x1和惠斯通电桥x2用于测量试验模型所受的轴向力。
28.上测量部罩有保护罩4，保护罩4与顶板15分离，天平主体2的背风侧设有出线整流罩5，出线整流罩5的容纳空间两端分别贯通上板1和下板3，即上板1和下板3的对应位置均设有出线口16，保证试验模型中的压力传感器延长线等线路可以从模型中引出，经出线整流罩5引至风洞试验段外，进入数采系统，以保证对模型关键部位进行表面压力测量，或者是发动机油路从模型外部接入发动机。
29.底座9的上端两侧均设有基座17，左侧的基座17中部固接有补偿块，使得顶板15的下端和中隔板12的两侧均与基座17的对应侧面之间留有间隙i。基座17靠近中隔板12的侧面上下两端分别设有第一限位块18和第二限位块19，顶板15的下侧设有与第一限位块18相配合的第三限位块20。其中，第一限位块18的纵截面呈等腰直角梯形，第三限位块20的右端具有与第一限位块18对应的第三缺口，第三缺口的端面与第一限位块18的对应端面之间留有间隙i，当上板1运动超过特定值后，第一限位块18和第三限位块20发生接触，从而限制上板1继续运动，起到保护本装置的作用；第二限位块19的上端面与中隔板 12的底面之间同样留有间隙i。间隙i、间隙ⅱ和间隙ⅲ宽度范围为1mm。
30.具体实施过程如下：通过销钉定位和螺钉固定连接，上板1、下板3和天平主体2组装完毕，将试验模型的线路和管路穿过出线整流罩5的容纳空间，然后上板1通过其螺纹间隙孔8的螺钉与试验模型固接，下板3通过其螺纹间隙孔8 的螺钉与风洞地基固接。开始试
验，当测力装置上板1受到模型所传递的气动力载荷时，测量元件产生变形，应变计输出粘贴位置的y向应变值，通过惠斯通电桥输出，结合测力装置输出结果和校准公式计算出模型所受到的气动力载荷。各分量载荷的组桥方式如下：
[0031][0032]
式中，x1、x2、y1、y2、y3、分别为各电桥输出的信号，x、y、mz分别为试验模型所受到的轴向力、法向力、俯仰力矩的载荷信号。
[0033]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。