一种小尺寸小载荷六分量应变天平

摘要

本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平，在天平中间位置设置了单片梁形式的X(阻力)向的测量梁，对X向测量梁的结构、尺寸进行了设计，另外，X向测量梁通过测量梁支撑座与天平之间进行连接，其余部分与天平主体之间形成间隙，使X向测量梁在满足贴片需求的情况下尽可能保留较大刚度，且便于加工。本发明满足风洞试验利用小尺寸应变天平测量小载荷六分量的要求，且测试精度满足行业标准。可精确测量X(阻力)‑10N～10N、Y(升力)‑35N～35N、Z(侧向力)‑10N～10N、Mx(滚转力矩)‑1N*m～1N*m、My(偏航力矩)‑1N*m～1N*m、Mz(俯仰力矩)‑1.8N*m～1.8N*m范围内的载荷。

说明书

技术领域

本发明属于风洞测力试验设备技术领域，特别涉及一种小尺寸小载荷六分量应变天平。

背景技术

风洞是进行空气动力学研究与飞行器研制的最基本的试验设备，测力试验是风洞试验中最基本的试验项目。风洞天平是测力试验中最重要的测量装置，用于测量作用在模型上的空气动力载荷的大小、方向与作用点。

测力试验对风洞天平的技术要求很多，其中最重要的是要求天平具有高的精度与准度。风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平与磁悬挂天平等，应变天平是一种单分量或多分量的应变式测力传感器，是目前风洞中使用最广泛的空气动力测量装置，其优点主要包括动态响应快、设计制造成本低、体积小重量轻、研制周期较短且能够适应大多数模型支撑方式。

风洞天平按测量空气动力载荷的数目可分为单分量天平与多分量天平，一般在风洞试验中使用六分量天平。

应变天平按结构可主要分为杆式应变天平与盒式应变天平两类。杆式天平是最常用的应变天平结构形式，外形一般为圆柱形，也有方柱形。杆式天平一端与模型连接，称为模型端；另一端与支杆连接，称为支杆端，在两端之间设置不同结构形式的测量元件，用于测量不同分量的载荷。应变天平结构形式的选择取决于应变天平的用途、应变天平的连接形式、风洞的类型与工作环境等因素。

由于以前的风洞试验模型多为与风洞尺寸相匹配的模型，因而有合适的常规天平进行测力，偶尔有气动载荷小的模型测力，也会用载荷较大的天平去测量，使得小模型测力试验的精度有所降低。随着航空航天技术的发展，型号研制对试验数据的精度要求越来越高，风洞试验要求所用的天平与试验模型相匹配，因而需要研制小尺寸小载荷天平来对小载荷模型试验进行测力。

现有技术中的X向测量梁一般对称布置在天平中心的两侧，受到小尺寸天平直径限制，使X向测量梁的布置长度受限，无法满足应变计的贴片要求，同时，X向测量梁长度太小引起变形感应受限，影响测量精度。另外，布置越多的测量梁，会导致天平刚度下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种小尺寸小载荷六分量应变天平，在天平设计中心位置设置单片梁结构的X向测量梁，用于测量阻力，同时对X向测量梁的结构及尺寸进行设计，使其同时满足贴片和刚度需求，测量精度高，可应用于航空航天风洞试验。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种小尺寸小载荷六分量应变天平，包括天平主体，五分量测力元件，模型连接锥，支杆连接锥和X向测力元件；

天平主体两端分别通过五分量测力元件与模型连接锥及支杆连接锥连接，五分量测力元件用于测量Y(测量升力)、Z(侧向力)、Mx(滚转力矩)、My(偏航力矩)、Mz(俯仰力矩)五个分量；

天平主体上设有第一主体分离槽，将天平主体分为天平主体一和天平主体二；所述第一主体分离槽为穿过所述天平设计中心的前后贯通的斜槽，所述天平设计中心为天平主体的横向对称轴和纵向对称轴的交点；

天平设计中心位置开有沿Z向贯通的通槽，X向测力元件位于通槽内；所述X向测力元件包括X向测量梁支撑座和X向测量梁；所述X向测量梁为单片梁结构，通过测量梁支撑座分别连接天平主体一和天平主体二，用于测量阻力；所述测量梁支撑座可尽可能保留较大的天平主体，保证天平刚性；

所述X、Y和Z向为应变天平坐标系中X、Y和Z轴的方向；如图2所示，应变天平坐标系以天平设计中心为原点，X轴为应变天平轴向，Y轴为与水平面的垂直方向，Z轴按照右手定则确定。所述X轴正向为由模型连接锥指向支杆连接锥的方向，所述Y轴正向为与水平面的垂直向上的方向，即主视图中水平基准面的垂直向上方向；所述Z轴按照右手定则确定。

进一步的，X向测量梁平行于YZ平面的截面形状为矩形，X向测量梁在Z方向的长度为6～8mm。

进一步的，X向测量梁通过设于四周的4个测量梁支撑座与天平主体连接；X向测量梁与天平主体非连接处的间隙尺寸≥0.5mm。

进一步的，所述测量梁支撑座X方向的长度为1.6～2.0mm，Y方向的长度为0.5～0.6mm，Z方向的长度为1.0～1.2mm；所述测量梁支撑座与X向测量梁连接处设有半径为0.2～0.4mm的圆角。

进一步的，还包括支撑梁结构，所述支撑梁结构为四组，且任一组支撑梁结构均存在与之关于XZ平面对称分布的一组支撑梁结构，以及关于YZ平面对称分布的另一组支撑梁结构，即支撑梁结构a与支撑梁结构b之间、支撑梁结构c与支撑梁结构d之间关于YZ平面对称；支撑梁结构a与支撑梁结构d之间、支撑梁结构b与支撑梁结构c之间关于XZ平面对称分布。

所述每组支撑梁结构包括2～4根X向支撑梁，对应变天平所受X方向的力起支撑作用；所述X向支撑梁沿天平轴向等距排列，厚度≤0.4mm。

进一步的，所述五分量测力元件包括两根Z向测量梁和一根Y向测量梁，所述两根Z向测量梁分别位于Y向测量梁的两侧；Z向测量梁和Y向测量梁的横截面均为矩形。

进一步的，所述天平主体直径≤10mm。

进一步的，所述小尺寸小载荷六分量应变天平还包括基准平面，所述基准平面与XZ平面平行，用于天平安装时进行角度测量。

进一步的，所述小尺寸小载荷六分量应变天平为一体成型的天平。

进一步的，所述小尺寸小载荷六分量应变天平对阻力-10N～10N、升力-35N～35N、侧向力-10N～10N、滚转力矩-1N*m～1N*m、偏航力矩-1N*m～1N*m、俯仰力-1.8N*m～1.8N*m范围内的载荷进行精确测量。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平，在天平中间位置设置了单片梁形式的X(阻力)向的测量梁，对X向测量梁的结构、尺寸进行了设计，使X向测量梁在X方向的长度为0.5～0.6mm，Z方向的尺寸可达8mm，保证小尺寸应变天平具有良好的精度和刚度；

(2)本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平，X向测量梁布置在天平中间，且沿Z方向设置，X向测量梁与X向支撑梁均能承受X向载荷，能够有效避免除阻力外的其他力矩对阻力测量造成的干扰，提高测量精度。

(3)本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平，使X向测量梁通过测量梁支撑座与天平之间进行连接，其余部分与天平主体之间形成间隙，设计了间隙的尺寸，使X向测量梁在满足贴片需求的情况下尽可能保留较大刚度，且便于加工。

(4)本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平，满足风洞试验利用小尺寸应变天平测量小载荷六分量的要求，且测试精度满足行业标准。可精确测量X(阻力)-10N～10N、Y(升力)-35N～35N、Z(侧向力)-10N～10N、Mx(滚转力矩)-1N*m～1N*m、My(偏航力矩)-1N*m～1N*m、Mz(俯仰力矩)-1.8N*m～1.8N*m范围内的载荷。

附图说明

图1为本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平的仰视图；

图2为本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平的主视图；

图3为本发明一种小尺寸小载荷的六分量应变天平的剖视图，其中图3(a)为图1的A-A剖视图，图3(b)为图1的B-B剖视图，图3(c)为图1的C-C剖视图，图3(d)为图1的D-D剖视图，图3(e)为图1的E-E剖视图，图3(f)为图1的F-F剖视图，图3(g)为图1的G-G剖视图，图3(h)为图1的H-H剖视图，图3(i)为图1的I-I剖视图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

一种小尺寸小载荷六分量应变天平，为杆式六分量应变天平，包括天平主体，五分量测力元件，模型连接锥1，支杆连接锥12和X向测力元件；如图1、图2和图3所示；

天平主体为圆柱体，两端分别通过五分量测力元件与模型连接锥1及支杆连接锥12连接，五分量测力元件用于测量除X向力的其余五分量，即测量升力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩、俯仰力矩；

天平主体上设有第一主体分离槽15，将天平主体分为天平主体一6和天平主体二21；所述第一主体分离槽15为穿过所述天平设计中心的前后贯通的斜槽，所述天平设计中心为天平主体的横向对称轴和纵向对称轴的交点；

天平设计中心位置开有沿Z向贯通贯通的通槽，X向测力元件位于通槽内；所述X向测力元件包括X向测量梁支撑座7和X向测量梁8；所述X向测量梁8为单片梁结构，通过测量梁支撑座7分别连接天平主体一6和天平主体二21，X向(阻力)测量梁8布置在天平的正中间部位，用于测量阻力；由于天平的直径小，无法布置常规的两片对称X测量梁用以测量，因此在垂直于Y向测量梁4的方向布置了一片X测量梁，抗干扰的同时能较好地测量X分量的信号。

所述X、Y和Z向为应变天平坐标系中X、Y和Z轴的方向；如图2所示，应变天平坐标系以天平设计中心为原点，X轴为应变天平轴向，Y轴为与水平面的垂直方向，Z轴按照右手定则确定。所述X轴正向为由模型连接锥指向支杆连接锥的方向，所述Y轴正向为与水平面的垂直向上的方向，即主视图中水平基准面的垂直向上方向；所述Z轴按照右手定则确定。进一步的，X向测量梁8平行于YZ平面的截面形状为矩形，X向测量梁在Z方向的长度为6～8mm。

进一步的，X向测量梁8通过设于四周的4个测量梁支撑座7与天平主体连接；X向测量梁8与天平主体非连接处的间隙尺寸≥0.5mm。X向测量梁8的两端与天平主体连接，X向测量梁8的四周除支撑部位的测量梁支撑座7外，其余部位均应掏空，不能与天平主体相碰，考虑变形影响，X向测量梁8与天平主体的最小间隙不小于0.5mm，同时需考虑贴片因素来确定间隙具体数值。由于此天平的直径小，因此在满足贴片的情况下，天平主体尽量多保留，使X测量梁的支撑刚度尽量大，从而使天平的性能提高，测量数据更准确。

现有技术中的X向测量梁一般对称布置在天平中心的两侧，容易受到天平直径限制，使X向测量梁的布置长度受限，在天平尺寸较小时，比如本发明中的天平直径≤10mm，X向测量梁在Z方向的长度只能≤5mm，无法满足应变计的贴片要求，同时，X向测量梁长度太小引起变形感应受限，影响测量精度。另外，布置越多的测量梁，会导致天平刚度下降。本发明中在中间布置1个测量梁，其在Z方向的长度可达8mm，能同时满足刚度和精度要求。

在X向测量梁的四周设置了测量梁支撑座7，提升了支撑刚度，且便于加工。

进一步的，所述测量梁支撑座X方向的长度为1.6～2.0mm，Y方向的长度为0.5～0.6mm，Z方向的长度为1.0～1.2mm；所述测量梁支撑座与X向测量梁连接处设有半径为0.2～0.4mm的圆角。

进一步的，考虑天平X方向支撑的稳定性，在天平的两侧布置有支撑梁结构，对X方向的载荷起分担支撑作用，所述支撑梁结构为四组，且任一组支撑梁结构均存在与之关于XZ平面对称分布的一组支撑梁结构，以及关于YZ平面对称分布的另一组支撑梁结构，即支撑梁结构a与支撑梁结构b之间、支撑梁结构c与支撑梁结构d之间关于YZ平面对称；支撑梁结构a与支撑梁结构d之间、支撑梁结构b与支撑梁结构c之间关于XZ平面对称分布。

所述每组支撑梁结构包括2～4根X向支撑梁5，对应变天平所受X方向的力起支撑作用；所述X向支撑梁5沿天平轴向等距排列，X向支撑梁5厚度≤0.4mm，相邻X向支撑梁5之间的距离≥2mm，根据天平载荷和尺寸决定。

进一步的，天平主体与支杆连接锥12以及模型连接锥1之间，分别布置五分量测力元件，五分量测力元件为相对于中心对称的三柱梁结构，五分量测力元件包括两根Z向测量梁3和一根Y向测量梁4，所述两根Z向测量梁3分别位于Y向测量梁4的两侧；Z向测量梁3和Y向测量梁4的横截面均为矩形。用来测量Y(升力)、Z(侧向力)、Mx(滚转力矩)、My(偏航力矩)、Mz(俯仰力矩)五个分量，由于Y和Mz载荷相对较大，因此用三片梁中间的相对厚梁(厚度方向为Z方向)即Y向测量梁4测量Y和Mz，同时Mx也用此梁测量；另两片Z向测量梁3用来测量Z和My，即对除X载荷(阻力)外的其他五个载荷进行测量。

进一步的，天平主体直径≤10mm。

进一步的，模型连接锥1和支杆连接锥12为锥形结构；模型连接锥1上有螺孔16，模型连接锥1与模型连接时，通过安装在螺孔16上的螺栓拉紧；所述支杆连接锥12设有过渡段11、退锥楔孔13和拉锥楔孔14，用于与支杆连接后，拉紧和退出天平。

进一步的，模型连接锥1和支杆连接锥12分别设有等直段，所述等直段位于锥形结构的大端处，便于加工及安装。

进一步的，小尺寸小载荷六分量应变天平还包括基准平面9，所述基准平面9与XZ平面平行，用于天平安装时进行角度测量测量。

进一步的，小尺寸小载荷六分量应变天平为一体成型的天平。

进一步的，所述小尺寸小载荷六分量应变天平对阻力-10N～10N、升力-35N～35N、侧向力-10N～10N、滚转力矩-1N*m～1N*m、偏航力矩-1N*m～1N*m、俯仰力-1.8N*m～1.8N*m范围内的载荷进行测量。

一种小尺寸小载荷六分量应变天平，该天平长度为122mm，最大直径为10mm。支杆连接锥12为大端直径08，锥度1∶10，长度13mm的锥，用来与支杆连接，锥面上有两个楔孔，分别用来拉紧和退出天平；模型连接锥1为大端直径Φ10，锥度1∶5，长度15mm的锥，用来与模型连接，锥的端面上有一螺孔，用来拉紧模型。

如图2所示，模型连接锥1上有螺孔16，模型连接锥1与模型连接时，通过安装在螺孔16上的螺栓拉紧。

模型连接锥1后设有模型连接锥等直段2，在模型连接锥等直段2和天平主体一6之间，布置了五分量测力元件，包括两根Z向测量梁3和一根Y向测量梁4，Z向测量梁3测量Z和My载荷，Y向测量梁4测量Y、Mx和Mz载荷，二者测量的载荷方向垂直。五分量测力元件对除X载荷(阻力)外的其他五个载荷进行测量。如图3所示。

在天平主体一6和天平主体二21的两侧布置了四处支撑梁结构，关于XZ平面和YZ平面对称分布，每个支撑梁结构处均布置了两根X向支撑梁5，与Y向测量梁4垂直，成为天平主体一6和天平主体二21之间的连接，X向支撑梁5用于分担部分阻力(X向)载荷，提高X向的支撑稳定性。

X向支撑梁5的周围布置有第二主体分离槽19和第三主体分离槽20，以使X向支撑梁5与天平主体一6和天平主体二21分离开，第一主体分离槽15、第二主体分离槽二19和第三主体分离槽20将天平主体一6和天平主体二21进行合理的分离。第三主体分离槽20在与XZ平面平行的截面形状与天平轴线夹角为5°，可以减小My力矩对X向测量梁8的影响，从而提高测量精度。

X向测量梁8布置在天平的正中间，只有一根，两端支撑在X向测量梁支撑7上，将天平主体一6和天平主体二21连接在一起，与X向支撑梁5一起承担X向的载荷并同时进行测量。X向测量梁8布置在与X向支撑梁5平行方向，X向测量梁8设置在天平设计中心位置处上下贯通的通槽中，X向测量梁8与四周的天平主体之间形成X向测量梁分离槽18，X向测量梁分离槽18，也就是X向测量梁8与天平主体的间隙空间，考虑变形和贴片影响，X向测量梁8与天平主体的最小间隙不小于0.5mm，在满足X向测量梁8粘贴应变计空间的情况下，尽量使天平主体一6和天平主体二21的保留刚度较大。X向测量梁8在Z方向的尺寸为8mm，X方向的尺寸为0.5～0.6mm。

在天平主体一6和天平主体二21上设计了一处基准平面9，为天平安装时测量角度使用。

在天平主体二21和支杆连接锥等直段10之间相对于天平设计中心对称布置了同样的五分量测力元件。

支杆连接锥12通过过渡段11与支杆连接锥等直段10连接在一起。支杆连接锥12大端直径为φ8，锥度1∶10，长度13mm，与支杆连接后，通过安装在拉锥楔孔14上的楔子与支杆拉紧，拆卸天平时，通过安装在退锥楔孔13上的楔子与支杆松开。

天平测力原理为：天平通过支杆连接锥12安装在支杆上，通过安装在拉锥楔孔14上的楔子与支杆拉紧。通过基准平面9将天平位置调正后，将模型连接锥1与模型连接在一起，通过安装在螺孔16上的螺栓与模型拉紧。

试验时，通过X向测量梁8、Y向测量梁4和Z向测量梁3上粘贴的多组应变计组成的电桥输出信号，就可以计算测出试验模型的六分量载荷。当承受阻力(X向力)时，天平主体一6和天平主体二21之间通过X向测量梁8和X向支撑梁5传递X向力，引起X向测量梁8上粘贴的应变计变形，从而得到阻力值。

本发明设计的一种小尺寸小载荷六分量应变天平，经试验后，可实现小载荷六分量测量，测量精度达到行业标准。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。