留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制

张璜炜 向光伟 吕彬彬 汪多炜 余立

张璜炜, 向光伟, 吕彬彬, 等. 高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制[J]. 实验流体力学, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
引用本文: 张璜炜, 向光伟, 吕彬彬, 等. 高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制[J]. 实验流体力学, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
ZHANG H W, XIANG G W, LYU B B, et al. Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
Citation: ZHANG H W, XIANG G W, LYU B B, et al. Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182

高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制

doi: 10.11729/syltlx20210182
详细信息
    作者简介:

    张璜炜:(1992—),男,福建云霄人,工程师。研究方向:风洞天平设计与应用。通信地址:四川省北川羌族自治县永安镇101信箱(621000)。E-mail:zhw34270@126.com

    通讯作者:

    E-mail:xiangguangwei@cardc.cn

  • 中图分类号: V211.752

Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance

  • 摘要: 小型化再入飞行体表面在再入过程中发生烧蚀,造成外形的小不对称,从而产生一个微量滚转力矩。为了在高超声速风洞中获得小型化再入飞行体烧蚀模型高精度小不对称滚转力矩测量数据,同时获得其他五分量气动力数据,研制了一套六分量装配式微量滚转力矩气浮天平。天平滚转力矩设计载荷为0.02 N·m,轴向力设计载荷为200 N,量级差异悬殊。针对此问题,提出了“4+2”天平总体测力方案,即四分量主天平元件配合二分量滚转力矩–轴向力元件完成极不匹配的六分量气动力测量。静态校准及风洞试验结果表明:天平具有良好的分辨率,抗干扰能力强,受温度影响小,滚转力矩系数测量结果达到了10–7量级。所研制的气浮天平受温度影响小,可重复使用,能够同时测量包括微量滚转力矩在内的6个气动力分量,大幅提升了试验效率,降低了因模型拆装引起的误差。
  • 图  1  气浮天平方案示意图

    Figure  1.  Scheme diagram of gas bearing balance

    图  2  气浮天平结构图

    Figure  2.  Structure chart of gas bearing balance

    图  3  主天平元件结构图

    Figure  3.  Structure chart of main balance

    图  4  滚转力矩–轴向力元件结构图

    Figure  4.  Structure chart of MxX balance

    图  5  综合载荷下天平装配体应力云图

    Figure  5.  Stress nephogram of balance assembly under comprehensive load

    表  1  气浮天平设计载荷

    Table  1.   Design load of gas bearing balance

    分量 设计载荷/N 分量 设计载荷/(N·m)
    X 200 Mx 0.02
    Y 50 My 1
    Z 50 Mz 1
    下载: 导出CSV

    表  2  各分量输出计算

    Table  2.   Output calculation of each component

    分量 贴片处
    应变/10−6
    电桥
    类型
    电压/
    V
    应变计
    灵敏度系数
    理论输出/
    mV
    X 157 10 2.1 3.3
    Y 182 10 2.1 7.6
    Z 182 10 2.1 7.6
    Mx 148 10 2.1 3.1
    My 135 10 2.1 5.7
    Mz 135 10 2.1 5.7
    下载: 导出CSV

    表  3  应力分析结果

    Table  3.   Stress analysis results

    分量 应力/MPa 分量 应力/MPa
    X 105.4 Mx 46.1
    Y 80.4 Mz 52.0
    下载: 导出CSV

    表  4  天平校准结果

    Table  4.   Balance calibration results

    分量 综合加载
    误差/%FS
    综合
    重复性/%FS
    分量 综合加载
    误差/%FS
    综合
    重复性/%FS
    X 0.21 Mx 0.38 0.16
    Y 0.03 0.03 My 0.04 0.03
    Z 0.11 0.06 Mz 0.05 0.04
    下载: 导出CSV

    表  5  部分模型测试结果

    Table  5.   Some model test results

    序号模型滚转角/(°)马赫数Cl0
    1 0#标模 0 8 −8.0220 × 10−5
    2 0#标模 0 5 −1.2320 × 10−4
    3 1#标模 0 8 −2.5550 × 10−6
    4 1#标模 0 5 −5.9800 × 10−5
    5 2#标模 0 8 −3.4320 × 10−5
    6 2#标模 0 8 −3.4190 × 10−5
    7 2#标模 0 5 −1.2320 × 10−4
    8 1# 0 8 −9.5680 × 10−7
    9 1# 0 5 4.2640 × 10−6
    10 2# 0 8 6.7800 × 10−6
    11 2# 0 5 4.7250 × 10−5
    12 3# 0 8 −9.9020 × 10−7
    13 4# 0 8 −1.7320 × 10−7
    14 5# 60 5 1.6820 × 10−5
    15 5# 120 5 2.7080 × 10−5
    16 5# 180 5 2.9140 × 10−5
    17 5# 0 5 2.3490 × 10−5
    18 5# 0 5 2.3040 × 10−5
    19 5# 0 5 2.3620 × 10−5
    20 5# 0 5 2.2960 × 10−5
    下载: 导出CSV
  • [1] 蒋忠东, 赵忠良, 王树民, 等. 高超声速风洞小滚转力矩测量技术研究[J]. 航空学报, 2001, 22(6): 486–490. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2001.06.002

    JIANG Z D, ZHAO Z L, WANG S M, et al. Research on the measurement techniques for micro-rolling-moment in a hyper-sonic wind tunnel[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2001, 22(6): 486–490. doi: 10.3321/j.issn:1000-6893.2001.06.002
    [2] 王树民, 谢斌, 刘伟. 带气浮轴承的小滚转力矩气动天平的研制[J]. 流体力学实验与测量, 2002, 16(1): 94–98. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2002.01.015

    WANG S M, XIE B, LIU W. The development of the wind tunnel balance measuring for tiny roll moment with gas bear-ing[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2002, 16(1): 94–98. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2002.01.015
    [3] 赵俊波, 梁彬, 付增良, 等. 机动式再入弹头小滚转气动力风洞试验技术[J]. 空气动力学学报, 2016, 34(1): 53–58. doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0037

    ZHAO J B, LIANG B, FU Z L, et al. Experimental technique for micro rolling aerodynamics of a maneuvering reentry body[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2016, 34(1): 53–58. doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0037
    [4] 白葵, 冯明溪, 付光明. 小不对称再入体滚转气动力测量技术[J]. 流体力学实验与测量, 2002, 16(3): 63–67, 72. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2002.03.011

    BAI K, FENG M X, FU G M. Experimental technique for rolling aerodynamic of slight asymmetric re-entry body[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2002, 16(3): 63–67, 72. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2002.03.011
    [5] 杨英臣. 小滚转力矩测量技术研究[J]. 流体力学实验与测量, 1999, 13(1): 73–76. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.1999.01.012

    YANG Y C. Development of small rolling moment mea-surement technique[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 1999, 13(1): 73–76. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.1999.01.012
    [6] 于卫青, 方养田, 袁先士, 等. 动态实验微量滚转力矩天平测试技术研究[J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(5): 130–132, 136. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2012.05.049

    YU W Q, FANG Y T, YUAN X S, et al. The study of measurement techniques of microscale roll moment balance for dynamic test[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2012, 32(5): 130–132, 136. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2012.05.049
    [7] 刘高计, 于卫青, 王晨. 风洞试验微量滚转力矩测量试验技术[J]. 弹箭与制导学报, 2018, 38(4): 104–108. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2018.04.025

    LIU G J, YU W Q, WANG C. Measuring technique for micro rolling moment in wind tunnel tests[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2018, 38(4): 104–108. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2018.04.025
    [8] 秦永明, 田晓虎, 董金刚. 无翼/舵布局导弹小载荷滚转力矩测量研究[J]. 弹道学报, 2014, 26(2): 48–51. doi: 10.3969/j.issn.1004-499X.2014.02.010

    QIN Y M, TIAN X H, DONG J G. Measurement study of small rolling moment on missile without wing/rudder[J]. Journal of Ballistics, 2014, 26(2): 48–51. doi: 10.3969/j.issn.1004-499X.2014.02.010
    [9] 赵俊波, 梁彬, 付增良, 等. Φ1 m高超声速风洞小滚转力矩测量技术[J]. 空气动力学学报, 2020, 38(2): 260–267. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0089

    ZHAO J B, LIANG B, FU Z L, et al. Measurement techni-que for micro rolling moments based on Φ1 m hypersonic wind tunnel[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2020, 38(2): 260–267. doi: 10.7638/kqdlxxb-2018.0089
    [10] 王玉花, 刘伟, 谢斌, 等. 复合式结构微量滚转力矩六分量天平研究[J]. 实验流体力学, 2015, 29(3): 76–79, 98. doi: 10.11729/syltlx20140087

    WANG Y H, LIU W, XIE B, et al. Research on a micro-rolling-moment six-component strain gauge balance of composite structure[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(3): 76–79, 98. doi: 10.11729/syltlx20140087
    [11] 贺德馨. 风洞天平[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001: 72–167.

    HE D X. Wind tunnel balance[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2001: 72–167.
    [12] 李绪国, 杨彦广, 李志辉, 等. 小尺寸应变天平设计方法研究[J]. 实验流体力学, 2013, 27(4): 78–82. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2013.04.014

    LI X G, YANG Y G, LI Z H, et al. Design methods of the small size strain gauge balance[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(4): 78–82. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2013.04.014
    [13] 王玉花, 孙良, 郑粤蓉. 高超声速风洞大轴向力中温天平的研制[J]. 实验流体力学, 2006, 20(1): 86–90. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2006.01.020

    WANG Y H, SUN L, ZHENG Y R. The development of the larger axial force intermediate temperature balance in the hypersonic wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006, 20(1): 86–90. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2006.01.020
    [14] 于卫青, 解亚军, 刘高计, 等. 小量程滚转力矩天平设计[J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(6): 125–128, 132. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2013.06.039

    YU W Q, XIE Y J, LIU G J, et al. The design of a novel micro-scale roll moment balance[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2013, 33(6): 125–128, 132. doi: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2013.06.039
    [15] 田雪峰. 机械密封金属波纹管的动态特性及疲劳特性对比分析[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2018: 25–37.

    TIAN X F. Comparison of dynamic characteristics and fatigue characteristics of mechanical sealed metal bellows[D]. Urumqi: Xinjiang University, 2018: 25–37.
    [16] 钟玉平, 李杰, 闫廷来, 等. 基于有限元分析的波纹管强度应力提取与计算[J]. 材料开发与应用, 2018, 33(6): 101–105. doi: 10.19515/j.cnki.1003-1545.2018.06.017

    ZHONG Y P, LI J, YAN T L, et al. Calculation and extrac-tion of stress based on FEA for bellows[J]. Development and Application of Materials, 2018, 33(6): 101–105. doi: 10.19515/j.cnki.1003-1545.2018.06.017
    [17] 叶梦思. 基于有限元分析的Ω形波纹管液压成形研究及波纹管轻量化设计[D]. 北京: 北京化工大学, 2018: 9–25.

    YE M S. Research on hydroforming of toroidal bellows and light-weight design of bellows based on finite element analy-sis[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2018: 9–25.
    [18] 张小文, 闫廷来, 孙友贾. 有限元在波纹管稳定性分析中的应用[J]. 材料开发与应用, 2011, 26(4): 60–64. doi: 10.3969/j.issn.1003-1545.2011.04.014

    ZHANG X W, YAN T L, SUN Y J. Application of finite-element method in bellows stability analysis[J]. Development and Application of Materials, 2011, 26(4): 60–64. doi: 10.3969/j.issn.1003-1545.2011.04.014
    [19] 王超, 林俊, 殷国富, 等. 天平与波纹管系统结构设计与有限元分析[J]. 实验流体力学, 2013, 27(3): 77–80, 92. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2013.03.015

    WANG C, LIN J, YIN G F, et al. Structure design and finite element analysis on system of balance and bellows[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(3): 77–80, 92. doi: 10.3969/j.issn.1672-9897.2013.03.015
    [20] 中国人民解放军总装备部. 风洞应变天平规范: GJB 2244A—2011[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2011.
  • 加载中
图(5) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  361
  • HTML全文浏览量:  130
  • PDF下载量:  35
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-12
  • 修回日期:  2021-11-24
  • 录用日期:  2022-01-04
  • 网络出版日期:  2022-04-07
  • 刊出日期:  2023-12-25

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要公告

    www.syltlx.com是《实验流体力学》期刊唯一官方网站,其他皆为仿冒。请注意识别。

    《实验流体力学》期刊不收取任何费用。如有组织或个人以我刊名义向作者、读者收取费用,皆为假冒。

    相关真实信息均印刷于《实验流体力学》纸刊。如有任何疑问,请先行致电编辑部咨询并确认,以避免损失。编辑部电话0816-2463376,2463374,2463373。

    请广大读者、作者相互转告,广为宣传!

    感谢大家对《实验流体力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我刊!


    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日