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基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制

闫万方 蒋坤 张江

闫万方, 蒋坤, 张江. 基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制[J]. 实验流体力学, 2018, 32(6): 61-67. doi: 10.11729/syltlx20180082
引用本文: 闫万方, 蒋坤, 张江. 基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制[J]. 实验流体力学, 2018, 32(6): 61-67. doi: 10.11729/syltlx20180082
Yan Wanfang, Jiang Kun, Zhang Jiang. Development of a six-component wind tunnel balance with lower interference on axial force measurement[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(6): 61-67. doi: 10.11729/syltlx20180082
Citation: Yan Wanfang, Jiang Kun, Zhang Jiang. Development of a six-component wind tunnel balance with lower interference on axial force measurement[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2018, 32(6): 61-67. doi: 10.11729/syltlx20180082

基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制

doi: 10.11729/syltlx20180082
详细信息
    作者简介:

    闫万方(1990-),男,甘肃张掖人,工程师。研究方向:风洞应变天平研制与应用,风洞试验技术。通信地址:北京市丰台区云岗西路17号(100074)。E-mail: yanwanfangs@163.com

    通讯作者:

    闫万方, E-mail:yanwanfangs@163.com

  • 中图分类号: V211.72

Development of a six-component wind tunnel balance with lower interference on axial force measurement

  • 摘要: 针对目前风洞试验技术的发展对风洞天平测量精度的更高需求,研制一台六分量杆式高精度轴向力测量天平,应用新型轴向力测量元件结构形式,并采用有限元方法对其进行了优化和改进。轴向力结构设计采用将测量元件置于天平轴线上的"设计中心位置"的方式,并通过在测量梁上设置铰链以及轴向力测量梁的非对称设计,最终使各气动载荷分量对轴向力的干扰应变输出近乎为零,彻底解决了杆式应变天平轴向力的测量干扰问题。同时,该设计还改善了天平各分量载荷作用在轴向力测量梁上交错复杂的应力分布状态,提高了天平的长期稳定性。天平校准和标模试验结果表明,该天平轴向分量具有较高的测量精、准度,可满足现代风洞试验的高精度轴向力测量需求。
  • 图  1  天平整体结构及轴向力元件示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the overall configuration of balance and axial force measuring element design

    图  2  天平坐标系定义

    Figure  2.  Definition of the balance coordinate system

    图  3  轴向力测量元件的应变片敷贴示意图

    Figure  3.  Strain-gauges on the axial force element

    图  4  轴向力分量组桥定义

    Figure  4.  Wheatstone bridge definition

    图  5  施加法向力(Y)设计载荷时轴向元件应变分布

    Figure  5.  Strain contour on the axial force measuring element while acting the normal force Y

    图  6  施加法向力(Y)设计载荷时天平变形及轴向元件受力分析,Config_2

    Figure  6.  Deformation of the balance and the stress analysis of the axial force component, Config_2

    图  7  施加法向力(Y)设计载荷时天平变形及轴向元件受力分析,Config_3

    Figure  7.  Deformation of the balance and the stress analysis of the axial force element, Config_3

    图  8  Config_3测量梁偏移尺寸

    Figure  8.  The deviation distance of the beam, Config_3

    图  9  模态对比分析(单位:Hz)

    Figure  9.  Comparison of the modals (unit: Hz)

    图  10  有限元强度校核

    Figure  10.  Strength check of the balance

    图  11  天平实物图

    Figure  11.  The real product of the balance

    图  12  ABCS-300型静校系统

    Figure  12.  Automatic body-axis calibration system (ABCS-300) of CAAA

    图  13  天平校准公式

    Figure  13.  The calibration matrix of the balance

    图  14  中国航天空气动力技术研究院FD-12风洞

    Figure  14.  The FD-12 wind tunnel of CAAA

    表  1  天平设计载荷(单位:N,N·m)

    Table  1.   Design loads (unit: N, N·m)

    My Z Mz Y Mx X
    100 1500 200 3500 40 500
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    表  2  各分量对轴向力元件的应变干扰(单位:με)

    Table  2.   Interference strain output on axial component from the other aerodynamic forces (unit: με)

    My Z Mz Y Mx
    Config_1 R1 0 0 6 200 0
    R2 0 0 42 341 0
    R3 0 0 -6 203 0
    R4 0 0 -42 342 0
    Config_2 R1 0 0 -2 -11 0
    R2 0 0 23 52 0
    R3 0 0 2 -11 0
    R4 0 0 -23 51 0
    Config_3 R1 0 0 -4 2 0
    R2 0 0 4 6 0
    R3 0 0 4 2 0
    R4 0 0 -4 6 0
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    表  3  天平各分量主应变及对轴向力的干扰应变(单位:με)

    Table  3.   Main strain output and interference strain on the axial component (unit: με)

    My Z Mz Y Mx X
    主应变 320 300 460 450 200 180
    轴向干扰应变 0 0 4 4 0 -----
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    表  4  轴向力(X)主输出、干扰输出及占比

    Table  4.   Main strain output and the interference output of X

    My Z Mz Y Mx X
    主/干扰输出(μV/V) 0.0001 0.0069 0.0002 0.0075 0.0002 0.3280
    占比/% 0 2.1 0 2.2 0 ------
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    表  5  天平校准综合加载误差和重复性误差

    Table  5.   The relative mean squared error and the precision by the static calibration

    My Z Mz Y Mx X
    综合加载误差/%FS 0.08 0.08 0.06 0.02 0.13 0.14
    综合加载重复性/%FS 0.03 0.02 0.01 0.01 0.05 0.08
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    表  6  8#标模在Ma=2.0时的重复性精度

    Table  6.   The repeatability precision of the 8# standard model, Ma=2.0

    CMy CZ CMz CY CMx CX
    重复性精度 0.0018 0.0020 0.0016 0.0016 0.0004 0.0012
    指标* ------ ------ 0.0020 0.0040 ------ 0.0030
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-26
  • 修回日期:  2018-09-09
  • 刊出日期:  2018-12-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日