[发明专利]一种小变形风洞应变天平

说明书

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，尤其是针对暂冲式高速及超高速风洞测力试验启动和关车时模型及杆式天平支杆系统剧烈振动问题，利用锥形天平元件结构与测量元件紧凑布局提高天平及支杆整体刚度，增强模型支撑系统抗振动能力，进行更加安全稳定的飞行器模型精确六分量气动力测量。

背景技术

暂冲式高速风洞测力试验中，启动和关车过程气流脉动和激波扫掠引起的冲击载荷可能是天平量程的几倍甚至十几倍，且分散度很大，难以测量和控制。冲击载荷引起的振动幅度与天平及支杆的刚度、模型重量、吹风方式有密切关系，并且对试验安全、测量精度和天平的使用寿命构成严重威胁。通过模型减重、降低速压等方式可以降低一定的冲击载荷，但受到结构和风洞设备限制，效果并不理想。在有限的设计空间内提高天平及支杆的刚度和承载能力是另一种行之有效的方法。

常见的杆式天平直径一般与支杆等直段直径相等，并且与模型内腔有足够的间隙，以保证模型受到气动载荷天平及支杆变形后模型与天平支杆不产生空间干涉。受到模型尾部空间尺寸限制和足够的间隙要求，天平及支杆直径较小，支撑系统刚度不足。而模型体中部空间充足，有时为了减重还会去除模型腔体内多余的材料。由于天平与支杆前端等直径，模型内腔与天平的间隙过大，天平及支杆设计时并没有充分利用模型腔体内的空间，导致天平刚度和承载能力不足。另外，杆式天平一般采用前中后三段测量元件，长度和材料切削严重，进一步损失了天平刚度。

发明内容

本发明为了解决等直径三段式杆式天平刚度和承载能力不足和天平设计未充分利用模型内腔空间的缺陷，提供一种小变形风洞应变天平及支杆，采用独特的设计思路和杆式天平及支杆结构增强系统的刚度和承载能力，提高风洞应变天平的安全性和稳定性，延长天平的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种小变形风洞应变天平，包括杆式天平和支杆：

所述杆式天平两端为锥形结构，杆式天平两端的中间为天平元件，

所述天平元件为锥形结构，锥形结构上靠近大端部位设置有五分量元件，靠近小端部位设置有阻力元件，

所述支杆包括锥形前端和等直段，所述杆式天平与支杆的锥形前端通过锥面匹配并利用楔子拉紧，所述杆式天平设置于被测模型的内腔内，

所述被测模型内腔的最小直径大于杆式天平的最大直径。

在上述技术方案中，所述支杆的锥形前端的锥度与杆式天平的天平元件的锥度相等。

在上述技术方案中，所述支杆的锥形前端的最大直径与天平元件锥形结构的最小直径相等。

在上述技术方案中，所述杆式天平的锥形前端的最小直径与支杆等直段的直径相等。

在上述技术方案中，所述五分量元件包括对称设置的四组多梁结构，位于轴线上的片梁为测量元件，位于各象限的柱梁为承载梁。

在上述技术方案中，所述杆式天平的阻力元件包括对称于天平轴线布置的一对Y形测量元件和两组阻力支撑弹片。

在上述技术方案中，所述阻力支撑弹片为对称于天平轴线布置的两组变截面弹片。

在上述技术方案中，每组支撑弹片等强度，宽度与天平元件锥度外形相匹配。

本发明的工作原理是：利用模型天平支杆系统变形特点，充分利用模型内腔充足空间，尽量增大天平直径，缩短天平长度，减少天平材料切削，达到增强系统刚度和承载能力的目的。具体来讲，模型受到气动载荷后，模型主体本身可看作刚体基本不变形，变形主要由天平及支杆产生。产生变形后，最可能与模型触碰的是模型尾部内腔与支杆等直段，而模型内腔内部空间比较充足。因此，可以充分利用模型内腔剩余空间，增大天平直径，以减少天平受载变形。另外，影响天平变形的另外两个重要因素是天平长度和材料切削程度，因此可以缩短天平元件长度，采用两段式天平结构布局进一步提高刚度。

本发明的效果和益处是：一是发展了独特的模型天平支杆系统设计思想，突破了传统等直径天平支杆设计方法和三段式杆式天平结构。二是增大了天平直径，缩短了天平长度，天平变形小，提高了天平的刚度和承载能力。三是有效抑制系统振动，提高了试验的安全性和稳定性，延长了天平使用寿命，提高了天平支杆的整体性能。四是扩大了天平设计空间，降低了天平设计难度，有利于天平元件结构和布局优化设计。五是可广泛应用于冲击载荷大或振动剧烈的风洞试验天平研制中，具有良好的实用性和推广价值。

附图说明

图1是本发明的一种小变形风洞应变天平装配示意图；

图2是本发明的一种小变形风洞应变天平结构示意图；