小杆径大载荷风洞天平研制

冷菊丽

(中国航空工业空气动力研究院，沈阳 110034)



【机械与电子工程】

小杆径大载荷风洞天平研制

冷菊丽

(中国航空工业空气动力研究院，沈阳 110034)

随着增压风洞试验需求日益增多，对于风洞试验天平的承载测量能力有了更高的需求。由于常规天平结构特点的限制，已经没有提升承载能力的空间。为此，开发了一种新式风洞天平，可满足该方面的风洞试验要求。该天平以浮框结构天平设计理念为基础，以拉压变形为主要的变形测量形式，采用装配及焊接型式为总体的结构构成，有效提高了同尺寸天平的承载能力及刚度,实际使用效果良好。

风洞试验；风洞天平；小杆径大载荷

飞行器的研制离不开风洞试验[1]，测力实验是风洞实验中最基本的实验项目。风洞天平[2-3]是测力实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(力与力矩)的大小、方向与作用点，天平的精、准度直接影响风洞测力试验数据的可靠性。随着飞行器研制，对风洞天平的测量准度、承载能力、响应频率等方面有了更高的要求。

大展弦比、小后掠角机翼[4]的民机及大后掠角、尖前缘机翼[5]的战机是现在飞行器发展的主流方向。由于雷诺数[6]对于该类飞行器的试验数据的影响较大，因此对于此类型的飞行器的风洞试验都需要提高试验的雷诺数。目前提高雷诺数的方法有低温及增压两种[7]。增压方法成本低、生产效率高而被广泛采用，但压力的增加意味着试验载荷的增大，要求同尺寸的测量天平承载能力相应增加到常压下的2.5倍左右。由于常规内式应变天平为整体结构，为满足天平测量灵敏度及力的机械结构分解的要求，材料体切割比较严重，其承载能力也受到较大得影响，如现在常用杆径45 mm天平可实现的最大设计载荷为15 kN而增压试验模型载荷约为40 kN。因此需要研制一种新型结构的风洞天平，以满足增压情况下尺寸相同、载荷提高的试验需求。

美国兰利宇航中心对于高承载能力的天平已经作过研究，并取得了较好的研究结果，同尺寸的天平承载能力提高一倍左右[8]。国内对此尚无成功的经验。我们通过对多种形式的天平结构进行分析，在提高天平本身刚度、天平模型连接刚度、天平的测量载荷、天平固定端支撑端刚度等方面进行深入研究，得出满足要求的焊接、装配连接形式的浮框式天平结构，并完成了设计、加工、粘贴、校准及风洞试验工作。

1 拟定天平设计载荷

本次设计的天平直径为45 mm，载荷是常规同等直径天平最大载荷的两倍，其与常规天平的载荷对比见表1。

表1 常规天平载荷与本次设计天平载荷对比

其中：Y为升力，Mz为俯仰力矩，Mx为滚转力矩，X为阻力，Z为侧力，My为编航力矩。

2 天平结构设计

2.1 提高天平本身刚度设计

缩短天平元件尺寸，将横纵方向力的测量安排在天平的同一截面内，并内置天平阻力元件，天平元件整体并连于天平轴线方向。

2.2 提高天平变形端刚度设计

改变天平与模型的连接形式，采用销钉加柱面连接形式，这样模型与天平外框连接为一体，大大提高了天平变形端刚度。

2.3 提高天平的测量载荷设计

①改变法向力、法向力矩、侧向力、侧向力矩，滚转力矩的变形为拉压变形，从而最大限度地减小滚转力矩的变形量。同时，将其测量元件安排在天平的外框圆周上，天平的外框设计为若干拉压梁元件的结构，这样的结构可以满足上述5个力的小应变大载荷的测量。

②外框与支撑杆的连接要满足较高刚度和可靠性的要求。我们在保证测量的基础上，尽量缩短拉压元件长度、增大连接耳片的面积，并采用电子束焊接的连接形式。

③阻力的测量也是设计难度最大的地方。外框的拉压变形测量法向力、法向力矩、侧向力、侧向力矩、滚转力矩，虽对阻力承担的变形为弯曲变形，但阻力量相比之下太小，产生的应变太小以致天平不能测量出来，对此我们将阻力测量设计为以拉压模式，测量部分为弯曲变形的口字形铰接元件，这样的结构可将70%的阻力承担到其测量元件上，并会有较大的应变输出。

④阻力元件的连接也是设计与加工的一大难点。将阻力元件安排在天平内腔里，又要在其表面粘贴应变片组成桥路，所以阻力元件必须具有可拆装性，又要具有安装间隙小、连接可靠的特点，但柱销的连接根本不能满足要求。这里我们采用1∶50的锥销和1∶50的梯形键，将阻力元件分别固定在天平的固定端与支撑端上。

3 天平结构

最终天平设计结构见图1。

4 天平校准

4.1 天平校准及方法

该天平在中国航空工业空气动力研究院BACS1500自动天平校准台进行全自动体轴校准。BACS1500天平校准台具有加载准确、复位速度快、能充分体现体轴校准主元、突出干扰量较小的体轴校准优势等特点。天平加载方法为多元加载[9-10]。

4.2 天平校准载荷与电压信号曲线分析

除阻力外，天平信号与载荷线性关系良好，还具有较好的正负对称性及重复性。阻力同向载荷与电压信号呈现线性关系，且重复性良好，但异向同载荷对称性不好。原因可能有3种：① 天平与校准锥套连接为柱面连接，连接形式不够可靠；②天平阻力元件的固定端与天平的内套之间的连接为销钉连接，连接不够可靠；③天平阻力元件的变形端与天平的外套之间的连接为梯形键连接，连接不够可靠。这些因素虽在设计中给予了考虑，但其影响依然比较严重。对此的处理方法是对天平在阻力受载正、负向时采用两套公式进行计算。天平载荷与电压曲线见图2。

4.3 天平校准准度指标

天平粘贴、组桥完成后在中国航空工业空气动力研究院BACS1500天平校准台上进行校准，校准指标基本达到国军标合格水平，具体结果见表2。

表2 天平校准准度指标

其中：Y为升力，Mz为俯仰力矩，Mx为滚转力矩，X为阻力，Z为侧力，My为编航力矩。

5 大载荷天平风洞动校试验

小杆径大载荷天平经加工、校准后进行了一期的风洞动校试验。选择风洞为中国航空工业空气动力研究院FL-2风洞，模型为某型号金属通气模型。以M=0.8时试验重复性的形式给出天平动校结果。试验结果表明本天平精度达到合格指标范围，具体指标见表3。其中：σ为试验攻角，M为试验马赫数。

表3 小杆径大载荷天平试验精度

6 结论

(1)小杆径大载荷天平可以满足空间小载荷大的模型结构的增压风洞测量需要；

(2)小杆径大载荷天平采用前、中、后三段的柱面配合连接形势，以拉压变形为主的应变测量方式，可有效地提高天平的整体刚度及承载测量能力；

(3)小杆径大载荷天平对于加工、装配精度要求较高，加工制造时需要严格按图纸要求修配连接；

(4)小杆径大载荷天平校准的加载与电压曲线基本合理，各元间的干扰量较小，达到较好的机械机构分解及电器分解效果；

(5)小杆径大载荷天平风洞动校试验重复性良好，试验精度满足国军标要求。

[1]范洁川.风洞实验手册[M].北京：航空工业出版社，2002.

[2]贺德馨.风洞天平[M].北京：国防工业出版社，2001.

[3]贺德馨.风洞天平技术论文集[M]. 北京：中国空气动力研究与发展中心，1998.

[4]孟宣市，乔志德，高超. 低背鳍对细长平板三角翼大迎角空气动力学的影响[J]. 航空学报，2007,28(3)：545-549.

[5]吴希拴，师小娟，王建培. 无人机气动特性改进及风洞试验研究[J]. 空气动力学学报，2004,22(1):36-40.

[6]李锋，白鹏，石文. 微型飞行器低雷诺数空气动力学[J]. 力学进展，2007，37(2)：257-267.

[7]范杰川，于涛.建造中的我国低速增压风洞[J].实验流体力学，2005,19(3):1-6.

[8]DENNIS B, DAVE K, PHIL M. Development of the six component high-capacity flexure force balance[C]. Reno 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2006.

[9]武家陶.应变天平多元校中几种数据处理方法的比较[J].气动实验与测量控制，1994，8(3)：55-58.

[10]武传江.静校方法和数据处理对天平工作公式精准度的影响[J].气动实验与测量控制，1989,3(2):78-82.

(责任编辑：鞠衍清)

Design of a wind-tunnel balance with small diameter and heavy load

LENG Ju-li

(AVICAerodynamicsResearchInstitute,Shengyang110034,China)

The increasing pressurized wind tunnel tests require more bearing capacity of wind-tunnel balance, while the bearing capacity of traditional balances can not be increased due to the limitation of their structure. In this study, a wind-tunnel balance with more load capacity was developed. The balance was designed based on the concept of the floating frame structure balance with the tensile deformation as the main deformation measurement type. Its overall structure was assemblied and welded. The practical application results show that the bearing capacity and rigidity of this balance are remarkably improved comparing with the balances with the same size.

wind tunnel test；wind tunnel balance；small diameter and heavy load

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.10

2016-11-21

冷菊丽(1969—)，女，辽宁庄河人，工程师，研究方向：天平和模型设计。

TH715.1

A

1673-4939(2017)01-0046-04