应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究

对于有效试验时间仅有十至几十毫秒的激波风洞，常规应变天平和压电天平无法满足高精度气动力测量要求。半导体应变计的应变灵敏度远大于常用的金属电阻应变计，但其温度系数比金属电阻应变计高出2个数量级。针对此问题，设计了温度自补偿的半导体应变计并应用于等强度梁试验，结果表明:温度自补偿能够有效改善半导体应变计的温度效应，可将温度漂移降低至0.2% FS。在此基础上，设计了一杆高频响六分量半导体应变天平，通过天平、支杆一体化等设计，将测力试验系统的一阶固有频率提升至100 Hz以上。天平静态校准结果表明:该天平的综合加载误差达到国军标合格指标，综合加载重复性达到国军标先进指标。激波风洞B-2标模测力验证试验结果表明:在有效试验时间内，该天平可获得一个周期以上的输出信号，风洞试验结果与气动手册参考值、CFD计算值吻合较好。     

ANSYS在压电天平设计中的应用

利用ANSYS力电耦合的有限元分析方法，对一台三分量压电天平的性能进行评估。主要进行了静力、模态和瞬态响应特性分析，静力分析的目的是获得天平输出与施加载荷之间的关系，评估压电天平各分量的主灵敏度系数和分量间干扰灵敏度系数；模态分析的主要目的是获得压电天平的各阶振动频率和振型，用于评估天平的频率响应特性；瞬态响应特性分析主要用于评估天平在瞬态载荷下的响应特性，评估加速度计惯性补偿的有效性。ANSYS分析结果表明:压电天平的各分量主灵敏度较高，具有较好的分量间抗干扰能力，设计的天平频响较高，加速度计实现了对天平输出信号中惯性振动信号的补偿，能够满足激波风洞测力试验的需求。天平校准和风洞试验结果表明:天平的实际性能与有限元评估结果一致。     

基于压电敏感元件的摩阻天平设计

摩阻天平是直接测量作用在飞行器模型表面摩阻的重要手段,本文介绍了一种基于压电敏感元件的压电效应进行摩阻天平设计的情况。天平主体采用悬臂梁结构,通过在悬臂梁上对称布置的压电陶瓷片进行摩阻的测量,利用压电陶瓷片的方向选择性来降低模型表面的压力对摩阻测量结果的交叉干扰。在设计中,利用有限元分析的方法,采用力电耦合模型,对天平的性能进行了评估分析。根据有限元分析的结果,设计制作了用于激波风洞试验的摩阻天平,并对摩阻天平进行了校准和风洞试验。结果表明,天平的灵敏度、频响和稳定性均能满足激波风洞摩阻测量试验的要求,通过压电陶瓷片的组合可以有效地降低模型表面分布不均匀的压力对摩阻测量输出的影响。     

脉冲风洞单分量应力波天平测力技术

针对脉冲风洞强振动、极短有效试验时间的测试环境,提出一种采用压电材料作为敏感元件,尾端具有反射应力波耗散能力的单分量应力波天平结构。详细介绍了天平的运行原理,结构设计公式,内悬挂保护罩结构,以及校准方法,最后以半球为模型,在CARDC Φ 0.6米激波风洞上进行了验证实验。实验结果验证了该技术的可行性。     

激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

为满足高马赫数超燃冲压发动机研制的需求,在激波风洞中开展了超燃冲压发动机推力测量技术研究工作,采用压电式推力测量天平测量了超燃冲压发动机模型上的推力。根据试验模型的受力特性进行了天平设计与校准研究,并在激波风洞中开展了验证性试验。在天平设计中,采用有限元力电耦合分析方法对天平性能进行了预估。分析结果表明:天平主分量的灵敏度可达到17.447 mV/N,一阶振动模态可达到1022.40 Hz。在验证试验中,分别测量了超燃冲压发动机模型在喷注和不喷注燃料条件下的推力。试验结果表明:在2种试验状态下,发动机阻力差值最大约220 N,说明设计的压电式推力测量天平可分辨出不同试验条件下作用在发动机上的推力大小。