一种小变形风洞应变天平的制作方法
【专利摘要】一种小变形风洞应变天平，包括杆式天平和支杆：所述杆式天平两端为锥形结构，杆式天平两端的中间为天平元件，所述天平元件为锥形结构，锥形结构上靠近大端部位设置有五分量元件，靠近小端部位设置有阻力元件，所述支杆包括锥形前端和等直段，所述杆式天平与支杆的锥形前端通过锥面匹配并利用楔子拉紧，所述杆式天平设置于被测模型的内腔内，所述被测模型内腔的最小直径大于杆式天平的最大直径；本实用新型突破了传统等直径天平支杆设计方法和三段式杆式天平结构，增大了天平直径，缩短了天平长度，天平变形小，提高了天平的刚度和承载能力，有效抑制系统振动，可广泛应用于冲击载荷大或振动剧烈的风洞试验天平研制中，具有良好的实用性和推广价值。
【专利说明】
一种小变形风洞应变天平
技术领域
[0001]本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，尤其是针对暂冲式高速及超高速风洞测力试验启动和关车时模型及杆式天平支杆系统剧烈振动问题，利用锥形天平元件结构与测量元件紧凑布局提高天平及支杆整体刚度，增强模型支撑系统抗振动能力，进行更加安全稳定的飞行器模型精确六分量气动力测量。
【背景技术】
[0002]暂冲式高速风洞测力试验中，启动和关车过程气流脉动和激波扫掠引起的冲击载荷可能是天平量程的几倍甚至十几倍，且分散度很大，难以测量和控制。冲击载荷引起的振动幅度与天平及支杆的刚度、模型重量、吹风方式有密切关系，并且对试验安全、测量精度和天平的使用寿命构成严重威胁。通过模型减重、降低速压等方式可以降低一定的冲击载荷，但受到结构和风洞设备限制，效果并不理想。在有限的设计空间内提高天平及支杆的刚度和承载能力是另一种行之有效的方法。
[0003]常见的杆式天平直径一般与支杆等直段直径相等，并且与模型内腔有足够的间隙，以保证模型受到气动载荷天平及支杆变形后模型与天平支杆不产生空间干涉。受到模型尾部空间尺寸限制和足够的间隙要求，天平及支杆直径较小，支撑系统刚度不足。而模型体中部空间充足，有时为了减重还会去除模型腔体内多余的材料。由于天平与支杆前端等直径，模型内腔与天平的间隙过大，天平及支杆设计时并没有充分利用模型腔体内的空间，导致天平刚度和承载能力不足。另外，杆式天平一般采用前中后三段测量元件，长度和材料切削严重，进一步损失了天平刚度。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决等直径三段式杆式天平刚度和承载能力不足和天平设计未充分利用模型内腔空间的缺陷，提供一种小变形风洞应变天平及支杆，采用独特的设计思路和杆式天平及支杆结构增强系统的刚度和承载能力，提高风洞应变天平的安全性和稳定性，延长天平的使用寿命。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]—种小变形风洞应变天平，包括杆式天平和支杆:
[0007]所述杆式天平两端为锥形结构，杆式天平两端的中间为天平元件，
[0008]所述天平元件为锥形结构，锥形结构上靠近大端部位设置有五分量元件，靠近小端部位设置有阻力元件，
[0009]所述支杆包括锥形前端和等直段，所述杆式天平与支杆的锥形前端通过锥面匹配并利用楔子拉紧，所述杆式天平设置于被测模型的内腔内，
[0010]所述被测模型内腔的最小直径大于杆式天平的最大直径。
[0011]在上述技术方案中，所述支杆的锥形前端的锥度与杆式天平的天平元件的锥度相等。
[0012]在上述技术方案中，所述支杆的锥形前端的最大直径与天平元件锥形结构的最小直径相等。
[0013]在上述技术方案中，所述杆式天平的锥形前端的最小直径与支杆等直段的直径相等。
[0014]在上述技术方案中，所述五分量元件包括对称设置的四组多梁结构，位于轴线上的片梁为测量元件，位于各象限的柱梁为承载梁。
[0015]在上述技术方案中，所述杆式天平的阻力元件包括对称于天平轴线布置的一对Y形测量元件和两组阻力支撑弹片。
[0016]在上述技术方案中，所述阻力支撑弹片为对称于天平轴线布置的两组变截面弹片。
[0017]在上述技术方案中，每组支撑弹片等强度，宽度与天平元件锥度外形相匹配。
[0018]本发明的工作原理是:利用模型天平支杆系统变形特点，充分利用模型内腔充足空间，尽量增大天平直径，缩短天平长度，减少天平材料切削，达到增强系统刚度和承载能力的目的。具体来讲，模型受到气动载荷后，模型主体本身可看作刚体基本不变形，变形主要由天平及支杆产生。产生变形后，最可能与模型触碰的是模型尾部内腔与支杆等直段，而模型内腔内部空间比较充足。因此，可以充分利用模型内腔剩余空间，增大天平直径，以减少天平受载变形。另外，影响天平变形的另外两个重要因素是天平长度和材料切削程度，因此可以缩短天平元件长度，采用两段式天平结构布局进一步提高刚度。
[0019]本发明的效果和益处是:一是发展了独特的模型天平支杆系统设计思想，突破了传统等直径天平支杆设计方法和三段式杆式天平结构。二是增大了天平直径，缩短了天平长度，天平变形小，提高了天平的刚度和承载能力。三是有效抑制系统振动，提高了试验的安全性和稳定性，延长了天平使用寿命，提高了天平支杆的整体性能。四是扩大了天平设计空间，降低了天平设计难度，有利于天平元件结构和布局优化设计。五是可广泛应用于冲击载荷大或振动剧烈的风洞试验天平研制中，具有良好的实用性和推广价值。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的一种小变形风洞应变天平装配示意图；
[0021 ]图2是本发明的一种小变形风洞应变天平结构示意图；
[0022]图3是图2的A-A剖视图；
[0023]图4是图2的B-B剖视图；
[0024]图中:1.模型，11.内腔，12.尾部内腔，2.杆式天平元件，21.大端，22.五分量元件，221.测量元件，222.承载梁，23.阻力元件，231.弹性支撑片，232.“Y”形测量元件，24.小端，
3.支杆，31.锥形前端，32.等直段。
【具体实施方式】
[0025]图1是本发明的一种小变形风洞应变天平装配示意图。本发明所述的一种小变形风洞应变天平主要包括杆式天平和支杆，所述的杆式天平与支杆通过锥面配合楔子拉紧，锥形体位于模型内腔内部。所述的杆式天平元件最大直径略小于模型尾部内腔最小直径，在增大杆式天平元件直径的同时，方便模型的安装与拆卸。所述的杆式天平元件锥形部分最小直径大于支杆等直段直径，数值通过天平及支杆前端等锥度约束条件计算得出。
[0026]图2是本发明的一种小变形风洞应变天平结构示意图。所述的杆式天平元件呈锥形，靠近模型头部的大端直径大于靠近模型尾部的小端直径，在所述杆式天平元件的大端一侧设置五分量元件，小端一侧设置阻力元件。
[0027]图3是图2的A-A剖视图，所述的杆式天平五分量元件为对称设置四组多梁结构，位于轴线上的片梁为测量元件，位于各象限的柱梁为承载梁。
[0028]图4是图2的B-B剖视图，所述的杆式天平的阻力元件为对称于天平轴线布置的一对” Y”形测量元件。所述的杆式天平的阻力支撑弹片为对称于天平轴线布置的两组变截面弹片，每组支撑弹片按等强度原则设计，宽度与天平元件锥度外形适应。
[0029]下面参照图1-4进一步说明本发明所述的一种小变形风洞应变天平的实施步骤:
[0030]根据模型尾部内腔的最小直径以及气动载荷可以估算出支杆等直段的最大直径，确保有足够的间隙使尾部内腔与支杆等直段在试验过程中不会触碰。同时，根据模型尾部内腔的最小直径可以确定杆式天平元件的大端的最大直径，确保杆式天平元件可以顺利插入模型内腔，实现模型的安装与拆卸。根据上述两个初步的直径尺寸与模型内腔的长度可以计算出杆式天平元件及支杆锥形前端相同的锥度，其长度小于模型内腔的长度，以便不影响模型尾部内腔气动特性。
[0031]进一步，可以估算出模型内腔其它合适的尺寸，确保杆式天平元件和支杆锥形前端内部与模型内腔在受载后有足够的间隙不会触碰。由于支杆锥形前端及杆式天平元件是变截面的缓慢增大的，一方面在不影响拆装的前提下大幅提高了系统整体刚度和综合性能；另一方面缓慢变化的截面使天平应力分布得到优化，增强了天平及支杆连接部分的安全性。
[0032]如图2所示，结合图3和图4，是本发明杆式天平的典型结构，根据天平设计载荷及其它技术指标，确定杆式天平元件的长度、五分量元件、阻力元件的几何尺寸，尽量使天平元件紧凑，以进一步提高天平刚度。五分量元件采用多梁结构，图3中各梁截面尽量设置在远离形心主轴的位置以提高截面抗弯刚度。择优的，可选择四片位于坐标轴的片梁作为测量元件，选择对称布置的根柱梁作为承载梁，以便于加工并粘贴应变计。
[0033]阻力元件的“Y”形测量元件过渡圆滑，防止应力集中；应变计粘贴在等强度梁的斜面上，以降低应变计粘贴位置带来的影响。每组弹性支撑片各片几何尺寸按等强度原则确定，保证应力分布比较均匀，无明显应力集中。
[0034]根据载荷特点与具体设计指标，所述的五分量元件和阻力元件可以被替换为其它结构形式的弹性元件。
[0035]天平结构复杂，传统计算方法难以得到比较准确的变形与位移结果，在加工前要认真分析和预测模型与支杆的受载后的空间干涉情况，预留一定的余量。因此，设计完成后的模型天平支杆系统需要通过有限元仿真软件进行变形仿真，并调整相关尺寸，使得模型内腔充分利用，并且间隙足够，确保模型尾部内腔与支杆等直段在受极限气动载荷的情况下不发生空间干涉。
[0036]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种小变形风洞应变天平，包括杆式天平和支杆，其特征在于: 所述杆式天平两端为锥形结构，杆式天平两端的中间为天平元件， 所述天平元件为锥形结构，锥形结构上靠近大端部位设置有五分量元件，靠近小端部位设置有阻力元件， 所述支杆包括锥形前端和等直段，所述杆式天平与支杆的锥形前端通过锥面匹配并利用楔子拉紧，所述杆式天平设置于被测模型的内腔内， 所述被测模型内腔的最小直径大于杆式天平的最大直径。2.根据权利要求1所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述支杆的锥形前端的锥度与杆式天平的天平元件的锥度相等。3.根据权利要求2所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述支杆的锥形前端的最大直径与天平元件锥形结构的最小直径相等。4.根据权利要求3所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述杆式天平的锥形前端的最小直径与支杆等直段的直径相等。5.根据权利要求1所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述五分量元件包括对称设置的四组多梁结构，位于轴线上的片梁为测量元件，位于各象限的柱梁为承载梁。6.根据权利要求1所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述杆式天平的阻力元件包括对称于天平轴线布置的一对Y形测量元件和两组阻力支撑弹片。7.根据权利要求6所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于所述阻力支撑弹片为对称于天平轴线布置的两组变截面弹片。8.根据权利要求6所述的一种小变形风洞应变天平，其特征在于每组支撑弹片等强度，宽度与天平元件锥度外形相匹配。
【文档编号】G01M9/06GK205580703SQ201620169769
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月7日
【发明人】向光伟, 苗磊, 彭超, 米鹏, 王树民, 陈竹, 王超, 王俊兰
【申请人】中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所