微量天平校准装置及精度分析

装置适用于风洞应变式微量天平六分量精密静态校准。通过高精度复位工件台和电视测量实现了微量天平的五分量体轴校；应用力的精密传递与转换实现了微量载荷在水平方向的准确加载。对三分量天平的综合加载精度以及影响因素进行了分析，同时还给出了该设备对三分量微量天平校准的结果，并与其他设备校准结果进行了比较。     

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。     

风洞 MDOE 的形式实验设计方法研究

MDOE 风洞实验方法能够用相对于传统实验方法更少的吹风次数，获得更高精准度的数据。为了解决现有基于参数模型的 MDOE 方法获取较强非线性气动规律能力的不足，需要发展基于非参数模型的 MDOE 方法。本文对基于非参数模型的 MDOE 的形式实验设计方法进行研究。通过“虚拟”风洞实验的方法，对两种常用的“空间填充设计”———拉丁超立方设计和均匀设计应用于风洞实验的适用性进行对比，并在此基础上发展了几种对均匀设计的优化改进方法，可以进一步提高样本点设计质量，使其满足风洞实验的要求。研究表明：均匀设计较拉丁超立方设计更为稳健、均匀，更适合基于非参数模型的风洞 MDOE 方法；在均匀设计方法基础上，根据风洞实验的特点发展了优化方法，包括边界点补充、样本点密度调整和重复点设计，能够将已有的“先验信息”应用于实验设计中；所发展的形式实验设计方法所需的测量点要少于 OFAT 方法的测量点（如示例中所用的测量点数仅为 OFAT方法的66．7％），且能够充分和准确地对较剧烈的非线性变化规律进行采样。本文对风洞 MDOE 的形式实验设计方法的研究结果，为后续发展基于非参数模型的风洞 MDOE 方法奠定了基础。     

基于Kriging模型的风洞应变天平静态校准方法

本文提出了一种基于Kriging代理模型的风洞应变天平静态校准方法。采用拉丁超立方设计的试验设计（DOE）方法选取校准加载点,以六分量组合加载技术为支撑,采用一阶回归基函数和EXP关联函数对校准数据构建Kriging模型,以电压信号增量和其他条件变量为自变量,通过Kriging模型对天平所受载荷进行预测。校准结果表明,与传统的OFAT（One Factor at A Time）校准方法相比,该方法具有相同的准度,加载点数量极大减少。将该方法应用于某矢量喷管推力测量天平的校准工作中,以通气流量和天平电压信号增量作为自变量,较好预测了喷管产生的推力,解决了传统校准方法难以克服的通气影响问题。     

卷积神经网络在风洞天平静态校准中的应用

风洞天平是气动试验中用于测量作用在模型上的空气动力载荷（力与力矩）的大小、方向和作用点的装置，测量结果的精准度与天平的静态校准性能直接相关，天平的静态校准是通过校测设备建立天平测量信号与所受气动载荷的映射关系。由于多分量风洞天平的各个分量间存在相互干扰，并且通常二次干扰和组合干扰会出现非线性特性，采用线性拟合方法会产生一定的误差，使得风洞天平静态校准性能因受到数据处理方法（线性拟合）的局限而较难进一步提高。因此，为了进一步提升应变天平静态校准的性能，本文探索深度学习方法在风洞天平静态校准中的应用。利用中国科学院力学研究所风洞天平校准系统AiBCS，对六分量应变天平开展基于卷积神经网络的静态校准研究，采用深度学习训练模型代替传统风洞天平校准公式并获取更高性能指标。同时，对人工智能建模方法在天平静态校准中的适用条件、有效性及可靠性等方面进行了讨论和评估分析。数据结果显示：相较于传统的基于最小二乘多项式的拟合方法，卷积神经网络天平校准方法有效降低了天平各个分量间的载荷干扰，使校准结果的精准度得到了较大幅度的提升。     

亚跨超风洞现代试验设计方法研究

开展了基于现代试验设计方法(MDOE)的亚跨超风洞试验研究,以八号标模尾翼为试验对象研究其气动特性,采用同时改变攻角-侧滑角的多变量方法,而不是传统的单变量(OFAT)方法进行试验。对自变量攻角和侧滑角进行试验设计(DOE),应用响应面法建模,用IV-最优方法对测量点分布进行设计。在FD-12亚跨超风洞完成了试验,并和传统的OFAT方法结果进行比较分析。结果表明:MDOE方法获得的数据和传统的OFAT方法的数据吻合很好;MDOE采集样点数减少了46%,吹风的时间比OFAT减少30%左右,提高了风洞试验效率,缩短了试验周期;MDOE试验方法可以给出设计空间内任意给定自变量对应的响应值及其置信区间。     

高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0．7％以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma＝5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

70kN载荷应变天平校准系统研制进展

研制了70kN量级的应变天平校准系统,以满足2m量级高速风洞测力试验天平的静态校准需求。70kN载荷应变天平校准系统基于传统的单元校准方法,采用四自由度复位式体轴系自动校准方案,加载力源为标准砝码,采用砝码独立控制技术的自动加载装置实现天平校准载荷的自动加载。砝码产生的重力通过双十字铰链施力定位装置和刚性加载头准确地传递到天平上,无间隙复位传动机构可以保证天平的精确复位。建成后的校准系统可满足20~70kN量程范围的杆式天平和环式天平等不同类型天平的校准需求。     

风洞分布式支撑天平测力试验技术研究

采用双尾支撑测量形式的加工、装配误差会使系统内应力过大,影响测量精度。针对某“双机身”飞机CTS 风洞试验气动力测量需求,发展基于多维力天平内置的风洞分布式支撑天平测力试验技术;研制具有消除系统内应力功能的双支撑系统,提出两种6 分量双支撑天平校准及测力方法,并对数据处理和双支撑系统可靠性进行检验加载、对比分析和验证。结果表明：风洞分布式支撑天平测力试验技术能够有效消除双支撑天平系统由于过约束而导致的固有装配内应力,双支撑天平系统各部分连接、测量可靠;两种校准测力方法测量精度相当,均能达到单台应变天平测量误差水平,可满足风洞试验测量精度需求;综合考虑现有校准设备校准能力,最终采用“合成式校准测力”方法进行的风洞试验,获得了满意的试验测力精度。     

飞机V型外倾双垂尾载荷校准技术

根据垂尾载荷校准及建模需求,对飞机V型外倾双垂尾结构受载情况进行了分析和简化,确定了校准试验载荷,研制了垂尾载荷校准试验专用龙门梁架。采用液压协调加载技术,完成了外倾双垂尾载荷校准试验,建立了满足测载要求的载荷模型。此种方法充分利用了左右垂尾外倾、双垂尾之间空间较大的特点,对左右垂尾对称施加向外的单点、多点载荷,加载载荷侧向分量左右自平衡,垂向分量依靠飞机自身重量即可平衡,飞机不需要复杂的固定与约束。试验中采用先搭建龙门框架,再停放飞机的方法,降低了试验风险、加快了试验进度,取得了良好的试验结果,对其他此类结构的载荷校准具有一定的借鉴作用。     

液压多点协调加载技术在机翼载荷校准试验中的应用

载荷校准试验是飞机飞行载荷测量的关键技术环节,而校准试验载荷的加载方式、载荷量级的大小直接影响着载荷建模及飞行实测载荷精准度。本文提出的液压多点协调加载技术,可实现飞机机翼多点、自动控制、协调加卸载,与以往人工单点加载试验相比,载荷量级提高到了机翼限制载荷的40%以上,并可模拟机翼在飞行时气动载荷的压心分布情况进行试验加卸载,提高了试验载荷模拟飞行载荷的真实程度。采用多点协调加载数据建立机翼的载荷方程,较以往单点数据,方程精度提高了4%以上,为提高实测载荷精度奠定了坚实的基础技术。     

基于惯性补偿的三分量测力天平瞬态特性的研究

高超声速一体化试验模型在脉冲燃烧风洞中进行测力试验时,模型振动导致天平无法准确测量模型所受到的气动力载荷。为研究脉冲风洞瞬态测力问题,采用了以下方法:根据测力天平的结构特点建立了动力学方程;对其进行了虚拟标定和模态分析;对测力天平进行了瞬态分析并对输出结果进行了惯性补偿。结果表明,单分量阶跃载荷加载时,补偿后输出结果超调量大大下降,振动衰减时间缩短,俯仰力矩会对轴向力输出产生干扰,且三分量阶跃载荷加载时,干扰降低,各分量的超调量分别为162.6N,574.4N和38N·m;单分量正弦加载时,加载分量上输入输出基本一致,俯仰力矩对轴向力的干扰作用仍然存在,3分量正弦载荷加载时,输入输出结果具有相同的周期特性,俯仰力矩结果与输入结果一致,轴向和法向输入输出间存在一定偏差,3分量的超调量分别为24.1N,375.7N和70.8N·m。     

激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究

介绍了在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）激波风洞中进行的摩阻测量技术研究情况。在测量研究中,设计了压电型摩阻天平,为了提高摩阻天平的校准和风洞试验测量结果精度,便于风洞试验和校准之间安装的变换,本项研究的摩阻天平采用一种新结构,也就是测量表面和摩阻天平本体可以分离的分体式结构,由此确保在不同使用场合下,摩阻天平的测量表面或者校准加载块可拆卸和更换。验证性试验是在CARDC0．6m激波风洞中进行的,流场名义马赫数分别为8和10,单位雷诺数分别为2．85×10^7／m和1．58×10^7／m,试验中测量了带压缩拐角的进气道模型表面三个测点的摩擦阻力,也测量了摩阻测点及其附近热流,测量结果表明：模型表面的摩阻和热流与雷诺比拟准则符合得较好。     

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。     

激波风洞重模型气动力试验研究

在激波风洞上进行气动力试验时,风洞启动时巨大的冲击载荷使模型-天平受到充分的激励,从而形成惯性干扰力,并与真实气动力混杂在一起,甚至完全覆盖气动力,降低了试验精准度,使得试验模型的质量受到极大的限制。本文介绍了CARDC-dia.2米激波风洞进行大、重模型的压电天平气动力试验研究情况,包括天平设计、天平校准、惯性补偿和风洞试验等几个方面。研究结果表明:气动力试验模型质量可从过去的500g增加到8kg,模型长度可达1m。从而提高了激波风洞测力试验能力,能满足高超声速飞行器试验的需求。     

现代试验设计方法在高速风洞试验中的应用

为了验证现代试验设计(MDOE)方法在高速风洞试验中应用的可行性,进一步提高风洞试验效率,采用区组化的回归组合设计进行了某运输类飞机亚声速基本纵向常规测力风洞试验,通过少量关键控制点数据建立了气动力参数随马赫数和迎角变化的二阶响应面模型,并进行了方差分析及显著性检验。同时,通过额外增加的试验点检验响应面模型的精准度。试验及分析结果表明:通过回归组合设计少量试验点建立的纵向气动力系数响应面模型预测误差满足高速风洞飞机模型测力试验精度指标要求,方差分析(ANOVA)及显著性检验结果正确反映了迎角、马赫数对飞行器基本气动特性的影响规律,突显出MDOE方法应用于风洞试验方案设计及数据分析的显著优势。     

考虑噪声抑制的高超声速风洞气动力识别方法

对于风洞试验中全尺寸模型试验的非平稳信号进行载荷辨识仍存在诸多问题。针对全尺度模型试验的非平稳信号载荷辨识提出了一种基于深度残差收缩网络（DRSN）深度学习技术的智能载荷辨识方法,该方法通过深度学习提取测力系统输出数据中的气动力、惯性力和噪声等特征,通过注意力机制对每组数据进行获取阈值,再通过软阈值函数对特征进行滤波降噪,有效辨识出测力系统响应信号中的惯性力分量并进行剔除,实现气动力载荷辨识。在测试验证中,均值法的辨识精度为85%以上,DRSN模型的辨识精度为94%以上,证明DRSN模型能有效降低噪声和惯性力对于载荷辨识的干扰,用于非平稳信号的载荷辨识具有精度高、可靠性好等特点。     

压电式力传感器连续加载的校准方法

针对压电式力传感器连续加载的校准方法进行初步探索。使用高精度应变式力传感器作为标准力传感器,在叠加式力标准装置上对压电式力传感器施加类似三角波式的连续载荷,利用数据采集系统采集标准力传感器和被校压电式力传感器的输出,记录整个加载过程,对输出曲线进行分析处理。提出了在连续加载曲线上选择校准点的方法,通过实验数据验证该校准方法的可行性,并对影响校准结果的各种因素进行了初步的分析。     

基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法

风洞试验中模型迎角的精准测量是降低阻力系数误差的重要途径之一,为此,提出了基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法。该方法通过两个单应性矩阵,获取试验过程中相机实时位姿和标记点物方空间位置坐标,应用坐标旋转关系,完成试验模型的迎角测量。数值仿真试验结果表明：迎角测量误差与待测标记点到风洞壁板间的距离偏差近似为线性关系,因此,当标记点不满足共面条件时,可根据该特点进行测量误差修正。静态标定和风洞迎角测量试验结果表明：修正系统误差后,迎角实测数据的测量准度在0.01°以内,精度不超过0.012°。本文方法易于实施,工程实用价值强。     

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。