本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及一种大滚转力矩小侧向力天平。本发明能够适用于滚转力矩大、侧向力小的风洞天平设计，将本发明应用于天平中，在满足试验安全的前提下，对提高天平侧向气动力载荷的测量精准度具有显著的进步意义。
背景技术：
风洞天平(简称天平)是测力试验中最重要的测量装置，主要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。目前，通常使用多分量天平来满足风洞试验的要求。另一方面，试验安全是风洞试验中最重要的指标，天平设计就是在保证试验安全的前提下(即天平具有足够的强度)，通过优化天平各分量的测量元件，使其达到较为理想的测量灵敏度，即达到测量精准度要求，同时提高天平的测量精准度。
天平各分量均有足够的测量灵敏度，即具有足够的设计应变值，但设计应变值受到应变计粘贴强度、天平材料所允许的最大综合应力的限制。一般情况下，高速风洞应变天平的设计应变值范围在150～500με。通常情况下，天平各分量的设计载荷要匹配合理，表1给出了高速风洞天平的匹配参考值。
表1高速风洞天平匹配参考值
如果载荷匹配值不合理，不但会增加天平的设计难度，还会影响天平的性能，甚至个别分量达不到测量的灵敏度要求，无法满足试验要求。
根据试验需要，本发明天平的天平载荷如下表2所示，其天平分量载荷比值如下表3所示。
表2本发明天平载荷
表3本发明天平分量载荷比值
由表1和表3可见：该天平的滚转力矩Mx分量载荷大(Y/Mx约为参考值的1/5)，侧向力Z分量载荷小(Y/Z约为参考值的6倍)，按常规方法无法设计出满足试验要求的天平。
为此，本发明提供一种大滚转力矩小侧向力天平。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：针对在高速风洞中，当天平的滚转力矩大、侧向力小时，现有的天平难以满足实验要求的问题，提供一种大滚转力矩小侧向力天平。本发明通过对天平元件的全新设计，使得天平在满足试验安全的前提下，侧向分量都有一个较为合理的灵敏度，同时减少了滚转力矩分量Mx对侧向分量的干扰输出，提高了天平侧向分量的测量精准度。本发明构思巧妙，设计合理，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大滚转力矩小侧向力天平，其特征在于，包括前过渡段、前测量梁、轴向力测量元件、后测量梁、后过渡段，所述轴向力测量元件包括中间第一过渡段、轴向力前支撑梁组、轴向力测量梁、轴向力后支撑梁组、中间第二过渡段，所述中间第一过渡段为轴向力前支撑梁组靠近前测量梁的一端，所述中间第二过渡段为轴向力后支撑梁组靠近后测量梁的一端；
所述前过渡段、前测量梁、轴向力测量元件、后测量梁、后过渡段依次相连；
所述前测量梁包括主梁、侧梁，所述侧梁为一组且对称设置在主梁两侧，所述侧梁沿水平方向设置有水平槽且水平槽将侧梁分为侧梁上部、侧梁下部，所述侧梁上部、侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别与前过渡段、中间第一过渡段通过铰链结构相连且水平槽及铰链结构的设置能减少滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；
所述前测量梁的侧梁的俯视图呈回型结构且侧梁的回形结构提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度；
所述前测量梁、后测量梁相对于轴向力测量元件的中心呈镜像设置；
所述轴向力前支撑梁组、轴向力后支撑梁组完全相同，所述轴向力前支撑梁组绕轴向力测量元件中心旋转180°后与轴向力后支撑梁组完全重合；所述轴向力测量梁设置在轴向力前支撑梁组与轴向力后支撑梁组之间。
所述侧梁上部的上下两侧的前端、后端分别设置有半圆孔，侧梁上部通过半圆孔与前过渡段、中间第一过渡段形成铰链连接结构。
所述侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别设置有半圆孔，侧梁下部通过半圆孔与前过渡段、中间第一过渡段形成铰链连接结构。
所述天平轴向力测量元件中心与前、后测量梁的中心重合，将轴向力测量元件中心记为天平中心。
所述轴向力前支撑梁组由至少三个支撑梁构成，远离天平中心的支撑梁高于靠近天平中心的支撑梁且支撑梁的高低差设计能改变远离天平中心支撑梁处的应力分布并最终降低天平该处的综合应力。
所述轴向力前支撑梁组由至少三个支撑梁构成，距离天平中心最远端的支撑梁的高度大于其余支撑梁且其余支撑梁的高度一致。
所述轴向力前支撑梁组、轴向力后支撑梁组均由三至六个支撑梁构成。
所述回型结构的内侧倒圆为R0.4～R0.6。
针对前述问题，本发明提供一种大滚转力矩小侧向力天平。其包括前过渡段、前测量梁、轴向力测量元件、后测量梁、后过渡段。其中，轴向力测量元件包括中间第一过渡段、轴向力前支撑梁组、轴向力测量梁、轴向力后支撑梁组、中间第二过渡段；中间第一过渡段为轴向力前支撑梁组靠近前测量梁的一端，中间第二过渡段为轴向力后支撑梁组靠近后测量梁的一端。本发明中，前过渡段、前测量梁、轴向力测量元件、后测量梁、后过渡段依次相连，构成天平主体。其中，前过渡段用于与模型相连，后过渡段是用于与固定支撑端相连。
本发明中，前测量梁包括主梁、侧梁，侧梁为一组且对称设置在主梁两侧，侧梁沿水平方向设置有水平槽且水平槽将侧梁分为侧梁上部、侧梁下部，侧梁上部、侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别与前过渡段、中间第一过渡段通过铰链结构相连(即侧梁上部的上下两侧的前端与前过渡段通过铰链结构相连，侧梁上部的上下两侧的后端分别与中间第一过渡段通过铰链结构相连；侧梁下部的上下两侧的前端与前过渡段通过铰链结构相连，侧梁下部的上下两侧的后端与中间第一过渡段通过铰链结构相连)。
进一步，本发明中，后测量梁包括主梁、侧梁，侧梁为一组且对称设置在主梁两侧，侧梁沿水平方向设置有水平槽且水平槽将侧梁分为侧梁上部、侧梁下部，侧梁上部、侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别与前过渡段、中间第一过渡段通过铰链结构相连。本发明中，前测量梁、后测量梁相对于轴向力测量元件的中心呈镜像设置。
本发明中，前测量梁和后测量梁中的侧向力Z和偏航力矩My分量应变计粘贴处采用“回”型结构且沿水平面分开成上下两部分；水平槽及铰链结构的设置能减少滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；同时，前测量梁的侧梁的俯视图呈回型结构且侧梁的回形结构提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度；回型结构的内侧倒圆为R0.4～R0.6，基于该结构，能够使应力的分布达到最佳状态。进一步，轴向力前支撑梁组、轴向力后支撑梁组完全相同，轴向力前支撑梁组绕轴向力测量元件中心旋转180°后与轴向力后支撑梁组完全重合；轴向力测量梁设置在轴向力前支撑梁组与轴向力后支撑梁组之间。
进一步，轴向力前支撑梁组由至少三个支撑梁构成，远离天平中心的支撑梁高于靠近天平中心的支撑梁且支撑的高低差设计能改变远离天平中心支撑梁处的应力分布并最终降低天平该处的综合应力。本发明中，轴向力前支撑梁组由至少三个支撑梁构成，距离天平中心最远端的支撑梁的高度大于其余支撑梁且其余支撑梁的高度一致。采用该方式，能改变了该处的应力分布状态，降低了该处的综合应力，保证天平该处满足强度要求。
综上所述，本发明对天平元件进行了全新的结构设计和优化；本发明在前测量梁和后测量梁中的侧向力Z、偏航力矩My元件应变计粘贴处采用“回”型结构且沿水平面分开成上下两部分，不仅提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度，同时减少了滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；前测量梁和后测量梁中的侧向力Z和偏航力矩My分量测量元件采用铰链结构分别与前过渡段和中间第一过渡段以及中间第二过渡段和后过渡段连接，减少了滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；支撑梁的高度差设计，改变了该处的应力分布状态，降低了该处的综合应力。基于结构的改进，在满足试验强度要求的前提下，提高了天平侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度，使其满足测量精准度要求，而且还减少了滚转力矩Mx对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出，提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的精准度。进一步，本发明还能有效减小轴向力前支撑梁与中间第一过渡段和轴向力后支撑梁与中间第二过渡段处在综合载荷作用下的应力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的天平主视图。
图2是本发明的天平俯视图。
图3是图1中测量元件A-A、B-B、C-C、D-D向剖视图。
图中标记：1、前过渡段，2、前测量梁，3、中间第一过渡段，4、轴向力前支撑梁组，5、轴向力后支撑梁组，6、中间第二过渡段，7、后测量梁，8、后过渡段。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图所示，本实施例的大滚转力矩小侧向力天平包括依次相连的前过渡段、前测量梁、轴向力测量元件、后测量梁、后过渡段。
其中，轴向力测量元件包括中间第一过渡段、轴向力前支撑梁组、轴向力测量梁、轴向力后支撑梁组、中间第二过渡段。本实施例中，中间第一过渡段为轴向力前支撑梁组靠近前测量梁的一端，中间第二过渡段为轴向力后支撑梁组靠近后测量梁的一端，轴向力测量梁设置在轴向力前支撑梁组与轴向力后支撑梁组之间。
同时，轴向力前支撑梁组、轴向力后支撑梁组完全相同，轴向力前支撑梁组绕轴向力测量元件中心旋转180°后与轴向力后支撑梁组完全重合。本实施例中，轴向力前支撑梁组由三至六个支撑梁构成，距离天平中心最远端的支撑梁的高度大于其余支撑梁，除最远端支撑梁外的其余支撑梁的高度一致。
同时，前测量梁包括主梁、侧梁，侧梁为一组且对称设置在主梁两侧。本实施例中，侧梁沿水平方向设置有水平槽，水平槽将侧梁分为侧梁上部、侧梁下部；侧梁上部、侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别与前过渡段、中间第一过渡段通过铰链结构相连(本实施例中，侧梁上部的上下两侧的前端、后端分别设置有半圆孔，侧梁上部通过半圆孔与前过渡段、中间第一过渡段形成铰链连接结构；侧梁下部的上下两侧的前端、后端分别设置有半圆孔，侧梁下部通过半圆孔与前过渡段、中间第一过渡段形成铰链连接结构)。如图所示，前测量梁、后测量梁相对于轴向力测量元件的中心呈镜像设置，且天平的中心与前、后测量梁的中心重合。基于该结构，水平槽及铰链结构的设置能减少滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出。进一步，前测量梁的侧梁的俯视图呈回型结构，回型结构的内侧倒圆为R0.4～R0.6，侧梁的回形结构提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度。
进一步，对本实施例中天平的工作原理说明如下。
本实施例中，天平的前测量梁和后测量梁中的侧向力Z和偏航力矩My元件应变计粘贴处采用“回”型结构且沿水平面分开成上下两部分，提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度，同时减少了滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；前测量梁中的侧向力Z和偏航力矩My分量测量元件采用铰链结构分别与前过渡段和中间第一过渡段，后测量梁中的侧向力Z和偏航力矩My分量测量元件采用铰链结构分别与中间第二过渡段和后过渡段连接，减少了滚转力矩Mx分量对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出；侧梁回型结构的内侧倒圆设计则能使应力的分布达到最佳状态。进一步，支撑梁的高度差设计，此方案能改变该处的应力分布状态，降低该处的综合应力，保证天平该处满足强度要求。
基于对天平结构的改进，本实施例的装置在确保试验安全的前提下，不仅提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的灵敏度，使其满足测量精准度要求，而且有效减少了滚转力矩Mx的对侧向力Z和偏航力矩My分量的干扰输出，提高了侧向力Z和偏航力矩My分量的精准度。同时，基于结构的改进，本发明减小了轴向力前支撑梁组与中间第一过渡段、轴向力后支撑梁组与中间第二过渡段之间在综合载荷作用下的应力。
经实验验证，满足前述表2的设计载荷要求的本实施例天平，完全达到了风洞试验的测量技术要求，且测量不确定度达到了0.001，能够有效解决现有天平的问题，具有显著的进步意义。
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。