基于3D打印的风洞应变天平防护装置设计与应用

应变天平是风洞测力试验中的主要测量设备，对试验数据质量和运行效率具有重要影响。为了提高天平自身的防护性能，减少试验运行过程中的天平故障概率，提出了基于3D打印风洞应变天平防护装置的快速开发方法。分析了天平防护装置的需求，研究了3D打印天平防护装置的关键技术、设计因素与研制流程。开展了3D打印技术在设计优化验证和风洞试验天平防护装置研制2方面研究。分别设计了整体式水冷罩和组合式杆式天平防护装置。对于具有复杂内部结构的天平水冷罩，3D打印技术可以对设计优化结果进行验证评估。通过3D打印技术完成杆式天平防护装置研制，在风洞试验中对所使用的天平进行了防护应用。实际应用表明，防护装置可有效避免应变计及线路在校准、运输、模型装配和试验过程中损坏。相比传统机械加工，3D打印天平防护装置不仅能实现设计优化验证，而且可大幅降低加工周期和成本，促进了天平综合性能的提升。     

一种单矢量风洞天平校准系统设计

介绍了一种单矢量六自由度风洞天平校准系统的设计。采用砝码匀速运动过程中碰撞卸载的方法,实现对压电天平的瞬时加载;通过控制天平姿态以及砝码在加载头上的挂点位置实现单矢量加载;并采用多元校准方法对天平信号进行处理,满足超高速风洞测力试验对六分量压电天平校准的需求。校准系统主要由天平姿态调整机构、砝码加载机构、碰撞卸载机构以及控制系统、测量系统等部分组成。系统构造简单、系统误差源少,具有校准效率高,校准精度高等优点。     

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。     

卡尔曼滤波在某跨声速风洞CTS机构连续动态轨迹捕获试验技术中的应用

外挂物分离轨迹捕获技术是世界上一种先进而且难度较大的风洞试验技术,国内某跨声速风洞捕获轨迹试验装置(CTS)首次对连续动态轨迹捕获实验技术进行了研究。本文首先介绍了该跨声速风洞CTS机构动态轨迹的预测方法,随后对该机构连续动态轨迹同步控制方法的具体实现步骤进行了较为详细的描述,分别介绍了无缓冲和有缓冲的动态轨迹连续同步控制过程及约束条件;在此基础上,针对CTS机构天平信号硬件滤波滞后和精度要求间矛盾的现实,引入泰勒中值定理,建立卡尔曼滤波(KF)模型,选取适当参数,对天平信号进行动态实时滤波处理,并与传统的位置控制方式进行吹风试验比较。试验结果表明:卡尔曼滤波较好地平衡了CTS机构天平信号硬件滤波滞后和精度要求之间的矛盾,且分离轨迹的重复性得到了验证,机构风洞吹风试验的效率也大为提高。     

脉冲燃烧风洞测力天平研制与应用

介绍了一种用于脉冲燃烧风洞高超重载模型冷、热态测力试验的腹支内式六分量应变天平研制方案。燃烧脉冲风洞试验时间短、冲击载荷大,模型重量大,要求天平能够快速响应,设计方案兼顾了刚度和灵敏度,天平静校指标满足要求。试验结果表明,天平输出信号与燃烧室压力的跟随性良好,能够正确反映模型的受力状态,轴向力系数的重复性精度达到了1.6%,天平性能稳定,由模型/天平/支架构成的测力系统在轴向力、法向力和俯仰力矩3个分量上输出信号的主频均满足脉冲风洞的测力要求。该天平方案满足重载模型在脉冲燃烧风洞试验中的测力要求。     

基于符号处理的天平载荷计算方法研究

风洞试验需要使用大量的天平,而经常编写天平公式处理程序给试验处理软件的维护带来了较大的工作量,影响了数据处理的效率和准度。随着试验软件通用性的不断提高,需要研究一种通用的天平公式处理方法。基于符号处理的天平载荷计算方法是一种解决天平公式的自动化处理方法,它运用系统软件的编译原理,通过对公式符号的解释和执行来实现对公式的处理。该方法已运用在风洞试验的数据处理中,可以在风洞试验的数据处理中推广应用。     

一种摆动式六分力风洞天平的设计和试验研究

为探索摆动式风洞天平的测力精度和使用效果,以及采用支架结构的风洞天平的整体性能,本研究设计了一种摆动式六分力风洞天平,并对所设计的天平进行了试验;通过飞机模型试验以及Catia用Fluent计算流体计算的结果进行了对比分析和研究。研究结果表明:在正常量程范围内,本研究所设计的摆动式风洞天平的使用效果良好,整体性能稳定;研究结果可为小型飞行器风洞试验提供参考。     

非定常大振幅振荡试验数据处理研究

在大振幅振荡风洞试验过程中,去除测量数据信号中的噪声、对齐初读数和吹风数中的角度序列和力信号序列是获得准确大振幅试验数据的两个关键问题。文中介绍了全相位数字滤波原理和处理非定常试验数据方法,并推导了全相位处理数据理论计算公式,通过对天平各通道力信号进行频谱分析来确定滤波的截止频率。对移相位、插值拟合、移动最小二乘拟合3种对齐初读数和吹风数方法进行了详细介绍,并比较了3种方法处理试验数据结果。结果表明,在有噪声的信号中,全相位数字滤波能够减少滤波过程中信号相位和幅值失真,3种对齐数据方法处理试验数据结果比较一致、合理。     

跨声速风洞模型主动减振系统试验研究

为解决跨声速风洞测力试验模型的俯仰振动问题,研制了一套主动减振系统。该系统利用了模型/天平/支杆系统的响应特性,采用主动控制方法,以天平信号作为输入,采用速度负反馈,使用安装在支杆后端主动接头内的压电陶瓷作动器来抑制模型振动。地面试验结果表明,主动减振系统使模型/天平/支杆系统的俯仰一、二阶阻尼比分别提高20.8倍和12.8倍。风洞试验结果显示,法向力和俯仰力矩振动幅度分别下降71.0%和57.5%,风洞试验结果还表明主动减振系统对气动系数的影响相对较小。主动减振系统在多个模型的风洞试验中也得到验证,显示出良好的减振性能和模型适应性。     

高速风洞拐角六分量天平研制

本文介绍在NH-1三音速风洞中进行测力试验时使用的拐角六分量应变天平的研制情况。着重论述和讨论内式六分量天平和双转轴β机构的结构形式,内式天平各测量元件设计中应用的假设条件、计算公式和应变片的粘贴方法,并对静校和动校结果进行了分析。     

基于柱梁的片式应变天平研制技术

在飞行器铰链力矩测力和部件测力风洞试验中,常采用片式应变天平测量。受模型结构限制,传统片式天平连接端刚度相对天平元件不足,测量精准度偏低。将片式天平元件分解为多个柱梁元件,通过多个柱梁元件组成一台新型结构的片式天平,可以有效提高片式天平的测量精准度。传统力学分析和有限元软件仿真分析结果均表明该方法具有可行性。基于该技术研制了验证天平,校准结果表明该技术具有很高的应用价值。目前该片式天平研制技术已在中国空气动力研究与发展中心高速所成功应用于多个试验项目。     

复合式结构微量滚转力矩六分量天平研究

微量滚转力矩测力试验是一项非常重要的风洞试验。相对于常规测力试验,微量滚转力矩测力试验的滚转力矩载荷小,量值在0.5N·m以下,同时滚转力矩载荷与其它的气动载荷量值相差较大,采用应变天平测量微量滚转力矩,很难实现六分量天平结构设计。针对这一问题我们开展了六分量微量滚转力矩天平的研究工作,通过优化天平结构,在现有技术手段的基础上提出了复合式六分量天平结构设计解决方案,不仅实现了六分量微量滚转力矩天平结构设计,而且其滚转力矩系数mx0的测量误差Δmx0<1.1×10-6。本文主要介绍了复合式六分量微量滚转力矩天平研究的关键技术及主要技术措施,并给出了天平分析计算、静态校准和试验测量结果。     

基于有限元分析的变截面轴向力支撑片内式应变天平研制

内式应变天平的轴向力元件结构在受到大载荷尤其是大力矩载荷后,其支撑片上的最大应力是限制天平最大承载能力的主要因素。研制了一台大力矩内式应变天平,并采用有限元分析方法对轴向力元件的支撑片和测量梁进行了优化和改进。将支撑片的外形由传统的等截面改进为变截面,减小支撑片中间部位的厚度,并增加两端的厚度,在保持天平轴向刚度一致的基础上,降低了支撑片上的最大应力;采用变截面结构的轴向力测量梁,减小了测量梁上的应变梯度。有限元分析结果表明:与传统的等截面支撑片相比,变截面支撑片上的应力分布比较均匀,其根部最大应力减小了20%以上;与等截面测量梁相比,变截面测量梁上的应变梯度降低了79%。天平校准结果与有限元分析结果一致,风洞测力试验也表明该天平具有良好的稳定性。     

横Π型梁在风洞应变天平阻力结构上的应用

主要通过对比传统T型梁和横Π型梁,对风洞应变天平的阻力测量梁进行了分析,根据分析结果提出了传统的横Π型阻力测量梁的改进方式,并通过有限元分析软件进行了优化分析,改进后的横Π型阻力测量梁降低了升力对阻力的干扰,并有利于提高天平阻力分量的稳定性。该测量梁结构应用到了某型飞机高速风洞试验测力天平上,天平静态校准结果与理论分析结果吻合,风洞试验时天平状态良好、性能稳定。     

串置双五分量天平的研制

本文介绍风洞应变天平中首次研制成功的一台串置双五分量天平。串置双天平由一块钢材制成。O_1天平固定在 O_2天平的受力端。O_2天平既能测量左平尾载荷,又能传递由 O_1天平测量的右平尾载荷。正确分析两台天平的受力传力路线和弹性变形的综合位移量,用严谨的数学公式描述两台天平测量的力和传递的力。对这两种力进行数学分解,形成数学模型,写出天平静校公式的数学表达式,并据此研制天平静校设备,分析天平在各分力作用下的弹性位移,写出弹性角公式。上述各点是串置双天平的核心问题。最后经风洞引导性实验证明,串置双天平的原理、方案、受力分析、静校公式等都是正确的。在国内外,串置双天平第一次用于风洞实验,获得了初步成功。     

翼尖支撑双天平校准技术研究

翼尖支撑测力试验技术采用两台天平同时对同一风洞模型进行测力,开展双天平校准技术研究是实现该项试验技术成功应用的关键。基于双天平测量机理,研究并建立了双天平校准技术:利用两台单天平的校准公式,根据空间力系合成原理和天平载荷分量干扰修正技术构建了双天平同时工作的公式。通过对某专用双天平的单独校准、组合校准及风洞试验,对提出的双天平校准技术进行了验证。结果表明:双天平校准技术合理、可靠,可操作性强,能够为翼尖支撑测力试验技术提供必要的理论基础和试验依据。     

国外低温内式应变天平技术研究进展

作为低温风洞测力试验的核心测试设备,低温天平受低温风洞气流温度低、温度变化大的影响,会产生零点温度漂移、灵敏度变化等一系列问题,对试验数据的精准度产生影响。因此,相较常温天平而言,低温天平的研制要求更多,难度也更大。在广泛调研国外低温天平研究进展与关键技术的基础上,系统介绍了低温天平的设计与优化、天平材料的选取及热处理、天平的加工与制造、天平应变片的匹配及粘贴、天平校准方法及校准设备等天平研制的多个关键环节,并对未来低温天平技术的发展进行了展望,为我国低温天平的研制及工程化应用提供参考。     

2.4m跨声速风洞的模型位移视频测量精度研究

风洞试验中模型的位置和变形测量对试验数据精准度至关重要.为此,创建2.4m跨声速风洞的模型位移视频测量系统,提出度量其测量误差的方法,并实验研究其测量精度.研究发现,试验中的振动对测量精度影响极大,采用振动环境中相机位、姿解算方法后,试验段底部的编码标记点的测量误差从22.80~48.48mm降至0.03~0.64mm.