CN111473945B - 一种六分量环式天平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六分量环式天平，六分量环式天平为一体结构，包括用于固定天平的天平固定段、设置有六个分量测量元件的天平测量段、用于连接测力模型的天平悬臂连接段，所述天平测量段的一端设置有所述天平固定段，所述天平测量段的另一端设置有所述天平悬臂连接段。本发明结构独特，突破了传统杆式风洞天平结构的局限，天平测量段尺寸有效缩短，天平内外径之差减小，降低了天平安装空间要求，能满足更多风洞测力试验需求；天平刚度相对较好，在振动试验环境中测力更有优势，阻力测量具有较强的抗干扰能力，天平测量精准度高，具有很高的工程应用价值。

Description

一种六分量环式天平

技术领域

本发明涉及风洞空气动力载荷测力天平技术领域，特别是涉及一种六分量环式天平。

背景技术

风洞天平(简称天平)是风洞测力试验中的关键测量装置，用于测量作用在模型上的空气动力载荷(力与力矩)的大小、方向和作用点，在涉及喷流、螺旋桨等需要中部通气或者安装转轴的测力试验时，由于模型空间限制，天平只能采用环形结构，传统的六分量环式天平是在常规风洞天平基础上改造而成，一般通过在常规天平中部打孔而成，采用多段式串联杆式结构，天平长度较大，天平内外径之间需要的空间多，中间孔尺寸有较大限制，试验中天平变形大，容易发生振动，很多试验因为难以布置天平并满足变形间隙要求只能改变模型原有结构甚至不能进行，难以获得真实的气动力。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种六分量环式天平，本发明设计的六分量环式天平测量段长度极大缩减，天平内外径之间需要的空间要求降低，中间孔尺寸限制小，而且具有与常规六分量测力天平相同水平的精准度，特别是阻力有较强的抗其它分量载荷干扰能力，可以完成风洞试验中气动力载荷的精确测量。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种六分量环式天平，六分量环式天平为一体结构，包括用于固定天平的天平固定段、设置有六个分量测量元件的天平测量段、用于连接测力模型的天平悬臂连接段；所述天平测量段一侧设置有所述天平固定段，所述天平测量段另一侧设置有所述天平悬臂连接段。

进一步设置：所述天平测量段包括侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件、升力和俯仰力矩测量元件、阻力测量元件，所述侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件、所述升力和俯仰力矩测量元件处于同一纵截面，与所述阻力测量元件相互之间进行了嵌套，通过曲线槽隔开，所述侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件上下对称，所述升力和俯仰力矩测量元件左右对称，且均为四个矩形梁。

进一步设置：所述阻力测量元件由四个分别位于中心轴±45°和±135°方向的的矩形梁组成，四个矩形梁四周对称，分别与水平面倾斜±45°。

进一步设置：所述曲线槽垂直于天平水平面，上下对称，由3条直线槽组合而成，中间的直线槽与纵截面平行，两侧的两条直线槽与中间的直线槽成一定角度并且左右对称，3条直线槽之间通过圆弧过渡。

进一步设置：所述天平固定段、所述天平测量段、所述天平悬臂连接段由一整块合金钢材料制成，是一体结构。

进一步设置：所述阻力测量元件的四个矩形梁的前后侧面位置对称粘贴电阻应变计，每个矩形梁粘贴4片应变计，分别位于前侧面和后侧面的上下两端中间位置，应变计方向与矩形梁长边平行，顶端与矩形梁根部倒圆边缘重合，共通过16片电阻应变计组成一个阻力测量惠斯通电桥；所述偏航力矩和滚转力矩测量元件、升力和俯仰力矩测量元件的8个柱梁侧面粘贴电阻应变计分别组成用于测量升力、侧力、偏航力矩、俯仰力矩和滚转力矩的惠斯通电桥。

进一步设置：所述天平固定段内侧设置有键槽，所述天平固定段通过法兰连接或者柱连接方式与支撑装置固定连接。

进一步设置：所述天平悬臂连接段外侧设置有键槽，所述天平悬臂连接段通过锥面连接或者柱连接方式与测力模型连接；采用锥面连接时，所述天平悬臂连接段前端设置螺纹用于锥面拆装。

进一步设置：所述天平固定段、所述天平测量段、所述天平悬臂连接段整体外形为轴形结构，且中间孔贯穿整体。

应用所述的一种六分量环式天平，其特征在于：包括六分量环式天平，所述六分量环式天平的天平固定段一侧安装有支杆，所述六分量环式天平通过键定位和圆柱连接方式与支杆连接，通过圆柱销和螺钉锁紧，所述支杆的内侧设置有通气管道，通气管道可以与天平固定段接触，通气管道与天平测量段、天平悬臂连接段之间存有周向间隙；所述六分量环式天平的天平悬臂连接段一端安装测力模型，所述六分量环式天平通过键定位和圆锥连接方式与测力模型连接，通过紧固件压紧；所述六分量环式天平外侧设置有天平保护套，所述天平保护套与天平固定段接触，所述天平保护套与天平测量段、天平悬臂连接段之间存有间隙。

进一步设置：所述天平保护套通过螺纹连接于所述六分量环式天平。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

天平结构独特，突破了传统杆式风洞天平结构的局限，天平测量段尺寸有效缩短，天平内外径之差减小，降低了天平安装空间要求，能满足更多风洞测力试验需求；天平刚度相对较好，在振动试验环境中测力更有优势，阻力测量具有较强的抗干扰能力，天平测量精准度高，能有效弥补传统环式天平的不足，具有很高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种六分量环式天平的主视图；

图2是本发明所述一种六分量环式天平的俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是图2的C-C剖视图；

图6是图2的D-D剖视图；

图7是本发明所述一种六分量环式天平的装配结构示意图；

图8是本发明所述一种六分量环式天平阻力测量元件应变计粘贴位置结构示意图(括号内数字代表粘贴于另一侧同位置的应变计编号)；

图9是本发明所述一种六分量环式天平阻力惠斯通电桥组桥方法示意图。

附图标记说明如下：

1、天平固定段；2、天平测量段；3、天平悬臂连接段；4、曲线槽；5、侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件；6、升力和俯仰力矩测量元件；7、阻力测量元件；8、支杆；9、通气管道；10、天平保护套；11、测力模型；12、紧固件；13、六分量环式天平。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、2、3、4、5、6、8、9所示，一种六分量环式天平，六分量环式天平为一体结构，包括用于固定天平的天平固定段1、设置有六个分量测量元件的天平测量段2、用于连接测力模型的天平悬臂连接段3；天平测量段2一侧设置有天平固定段1，天平测量段2另一侧设置有天平悬臂连接段3。

进一步设置：天平测量段2包括侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件5、升力和俯仰力矩测量元件6、阻力测量元件7，侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件5、升力和俯仰力矩测量元件6处于同一纵截面，与阻力测量元件7相互之间进行了嵌套，通过曲线槽4隔开，侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件5上下对称，升力和俯仰力矩测量元件6左右对称，且均为四个矩形梁；阻力测量元件7由四个分别位于中心轴±45°和±135°方向的的矩形梁组成，四个矩形梁四周对称，分别与水平面倾斜±45°；曲线槽4垂直于天平水平面，上下对称，由3条直线槽组合而成，中间的直线槽与纵截面平行，两侧的两条直线槽与中间的直线槽成一定角度并且左右对称，3条直线槽之间通过圆弧过渡；天平固定段1、天平测量段2、天平悬臂连接段3由一整块合金钢材料制成，是一体结构；阻力测量元件7的四个矩形梁的前后侧面位置对称粘贴电阻应变计，每个矩形梁粘贴4片应变计，分别位于前侧面和后侧面的上下两端中间位置，应变计方向与矩形梁长边平行，顶端与矩形梁根部倒圆边缘重合，共通过16片电阻应变计组成一个阻力测量惠斯通电桥；偏航力矩和滚转力矩测量元件5、升力和俯仰力矩测量元件6的8个柱梁侧面粘贴电阻应变计分别组成用于测量升力、侧力、偏航力矩、俯仰力矩和滚转力矩的惠斯通电桥；天平固定段1内侧设置有键槽，天平固定段1通过法兰连接或者柱连接方式与支撑装置固定连接；天平悬臂连接段3外侧设置有键槽，天平悬臂连接段3通过锥面连接或者柱连接方式与测力模型连接；采用锥面连接时，天平悬臂连接段3前端设置螺纹用于锥面拆装；天平固定段1、天平测量段2、天平悬臂连接段3整体外形为轴形结构，且中间孔贯穿整体。

如图7所示，应用的一种六分量环式天平，包括六分量环式天平13，六分量环式天平13的天平固定段1一侧安装有支杆8，六分量环式天平13通过键定位和圆柱连接方式与支杆8连接，通过圆柱销和螺钉锁紧，支杆8的内侧设置有通气管道9，通气管道9可以与天平固定段1接触，通气管道9与天平测量段2、天平悬臂连接段3之间存有周向间隙；六分量环式天平13的天平悬臂连接段3一端安装测力模型11，六分量环式天平13通过键定位和圆锥连接方式与测力模型11连接，通过紧固件12压紧；六分量环式天平13外侧设置有天平保护套10，天平保护套10与天平固定段1接触，天平保护套10与天平测量段2、天平悬臂连接段3之间存有间隙。

进一步设置：天平保护套10通过螺纹连接于六分量环式天平13。

本发明所述的一种六分量环式天平典型应用案例中，天平设计载荷为：升力2000N，侧力2000N，阻力3000N，俯仰力矩300N·m，偏航力矩200N·m，滚转力矩50N·m，天平测量段2长度为68mm，内孔直径Φ108mm，外径Φ144mm。若使用传统环式天平结构，天平测量段2长度不低于100mm，内孔直径不大于Φ80mm。

本发明的工作原理及工作过程

六分量环式天平是一种应变式风洞天平，用于测量测力模型11所受的各个分量气动力，风洞试验中，作用在测力模型11上的气动力通过天平悬臂连接段3传递至天平测量段2，使侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件5、升力和俯仰力矩测量元件6、阻力测量元件7产生变形，使粘贴于表面上的惠斯顿电桥失去原有的平衡从而产生电压信号增量，通过电桥输出电压与所受载荷之间的对应关系完成气动力测量；

四个阻力测量梁倾斜±45°，相对于纵轴和横轴完全对称，具有较好的抗其它载荷干扰能力，承受阻力时，四个阻力测量梁的变形上下对称，而受到升力、侧力、俯仰力矩、和偏航力矩时，四个阻力测量梁的变形要么上下反对称，要么左右反对称，可以通过惠斯通电桥平衡，不产生输出，受到滚转力矩时，由于在滚转方向刚度很高，也不产生输出。

六分量环式天平13的四个阻力测量梁与测量升力、侧力、俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩的组合测量元件位置错开，可以相互嵌入，并通过曲线槽4进行了刚度平衡，有效缩短了天平测量段2长度；

六分量环式天平13长度较短，一方面测力时悬臂较短，刚度较好，产生的变形小，有利于模型安装以及试验测力；另一方面天平中心距离测力模型11压心较近，产生的气动力载荷相对匹配，天平输出更加平衡，精准度较好；

六分量环式天平13的连接及测量元件全部可以位于较窄圆环空间内，需要的模型安装空间较小，而且中心孔可以较大，使得中间通气或者安装转轴更加容易，增强了试验能力，天平保护套10起到保护天平、隔离窜流影响的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种六分量环式天平，其特征在于：六分量环式天平为一体结构，包括用于固定天平的天平固定段（1）、设置有六个分量测量元件的天平测量段（2）、用于连接测力模型的天平悬臂连接段（3）；所述天平测量段（2）一侧设置有所述天平固定段（1），所述天平测量段（2）另一侧设置有所述天平悬臂连接段（3）；

所述天平测量段（2）包括侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件（5）、升力和俯仰力矩测量元件（6）、阻力测量元件（7），所述侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件（5）、所述升力和俯仰力矩测量元件（6）处于同一纵截面，与所述阻力测量元件（7）相互之间进行了嵌套，通过曲线槽（4）隔开，所述侧力、偏航力矩和滚转力矩测量元件（5）上下对称，所述升力和俯仰力矩测量元件（6）左右对称，且均为四个矩形梁；

所述阻力测量元件（7）由四个分别位于中心轴±45°和±135°方向的的矩形梁组成，四个矩形梁四周对称，分别与水平面倾斜±45°；

所述阻力测量元件（7）的四个矩形梁的前后侧面位置对称粘贴电阻应变计，每个矩形梁粘贴4片应变计，分别位于前侧面和后侧面的上下两端中间位置，应变计方向与矩形梁长边平行，顶端与矩形梁根部倒圆边缘重合，共通过16片电阻应变计组成一个阻力测量惠斯通电桥；所述偏航力矩和滚转力矩测量元件（5）、升力和俯仰力矩测量元件（6）的8个柱梁侧面粘贴电阻应变计分别组成用于测量升力、侧力、偏航力矩、俯仰力矩和滚转力矩的惠斯通电桥。

2.根据权利要求1所述的一种六分量环式天平，其特征在于：所述曲线槽（4）垂直于天平水平面，上下对称，由3条直线槽组合而成，中间的直线槽与纵截面平行，两侧的两条直线槽与中间的直线槽成一定角度并且左右对称，3条直线槽之间通过圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的一种六分量环式天平，其特征在于：所述天平固定段（1）、所述天平测量段（2）、所述天平悬臂连接段（3）由一整块合金钢材料制成，是一体结构。

4.根据权利要求1所述的一种六分量环式天平，其特征在于：所述天平固定段（1）内侧设置有键槽，所述天平固定段（1）通过法兰连接或者柱连接方式与支撑装置固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种六分量环式天平，其特征在于：所述天平悬臂连接段（3）外侧设置有键槽，所述天平悬臂连接段（3）通过锥面连接或者柱连接方式与测力模型连接；采用锥面连接时，所述天平悬臂连接段（3）前端设置螺纹用于锥面拆装。

6.根据权利要求1所述的一种六分量环式天平，其特征在于：所述天平固定段（1）、所述天平测量段（2）、所述天平悬臂连接段（3）整体外形为轴形结构，且中间孔贯穿整体。

7.应用上述权利要求1-6任一项所述六分量环式天平的测量装置，其特征在于：包括六分量环式天平（13），所述六分量环式天平（13）的天平固定段（1）一侧安装有支杆（8），所述六分量环式天平（13）通过键定位和圆柱连接方式与支杆（8）连接，通过圆柱销和螺钉锁紧，所述支杆（8）的内侧设置有通气管道（9），通气管道（9）与天平固定段（1）接触，通气管道（9）与天平测量段（2）、天平悬臂连接段（3）之间存有周向间隙；所述六分量环式天平（13）的天平悬臂连接段（3）一端安装测力模型（11），所述六分量环式天平（13）通过键定位和圆锥连接方式与测力模型（11）连接，通过紧固件（12）压紧；所述六分量环式天平（13）外侧设置有天平保护套（10），所述天平保护套（10）与天平固定段（1）接触，所述天平保护套（10）与天平测量段（2）、天平悬臂连接段（3）之间存有间隙。

8.根据权利要求7所述的一种六分量环式天平的测量装置，其特征在于：所述天平保护套（10）通过螺纹连接于所述六分量环式天平（13）。