一种微小量俯仰力矩测量装置及其测量方法与流程

1.本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种微小量俯仰力矩测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.对于小型化再入飞行体的试验模型的微小量俯仰力矩mz的测量需求，目前公开的技术资料中具有代表性的有：赵俊波等的再入弹头小不对称俯仰气动特性测量技术研究，吕治国等的烧蚀端头锥试验模型激波风洞试验研究。以上资料显示，通常采用三种测量设备：第一种是常规六分量应变天平，但是，在使用常规六分量应变天平测量时，由于烧蚀产生的俯仰力矩通常较小，而试验模型重量相对较重，两者之比能够达到2500倍，载荷匹配极为困难，因此，常规六分量应变天平俯仰力矩设计载荷往往会较大，影响微小量俯仰力矩测量的精准度；第二种是单分量轴承铰接式动态天平；第三种是五分量压电天平。但是，在使用单分量轴承铰接式动态天平或五分量压电天平测量时，不能同时测量作用在试验模型上载荷极其悬殊的六个气动力分量，可能需要使用其他天平进行补充测量试验，造成车次增加，提高试验成本。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的一个技术问题是提供一种微小量俯仰力矩测量装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种微小量俯仰力矩测量方法。
4.本发明的微小量俯仰力矩测量装置，其特点是，所述的微小量俯仰力矩测量装置包括五分量天平和单分量mz天平；五分量天平为杆式天平，单分量mz天平为环式天平；五分量天平外套装有天平连接架，单分量mz天平通过天平连接架固定在五分量天平上；单分量mz天平外套装有试验模型连接架，试验模型连接架固定在试验模型固定座上，试验模型固定座固定在试验模型的底面；隔热套套装在试验模型固定座表面的圆柱形凸台上，隔热套封闭并保护五分量天平和单分量mz天平。
5.进一步地，所述的五分量天平的后端设置有定位锥面，定位锥面与支杆的内锥面匹配，通过锥面定位、楔子拉紧的方式固定在支杆的前端；五分量天平的前端设置有连接法兰，连接法兰的前端设置有突出的圆柱形的定位柱面。
6.进一步地，所述的天平连接架为n形框架；天平连接架的前框架套装在五分量天平前端的定位柱面上，并通过螺钉ⅰ固定在五分量天平前端的连接法兰上；天平连接架的左框架设置有内轴承座ⅰ和螺钉孔；天平连接架的右框架设置有内轴承座ⅱ和螺钉孔。
7.进一步地，所述的单分量mz天平为方形框架，左侧为左侧板，右侧为右侧板，左侧板和右侧板之间连接有若干中心对称的板条型的mz测量元件，mz测量元件上粘贴有应变计；
单分量mz天平的左侧板为固定端，左侧板上设置有固定端定位孔；设置有与天平连接架左框架的螺钉孔相匹配的通孔，左侧板通过穿过通孔的螺钉ⅱ固定在天平连接架的左框架上；还设置有与天平连接架左框架相匹配的固定端定位面；单分量mz天平的右侧板为自由端，右侧板上设置有直槽孔；设置有与试验模型连接架右侧夹板相匹配的销孔；还设置有限制单分量mz天平俯仰角度的限位凸台。
8.进一步地，所述的试验模型连接架由固定在试验模型固定座表面的圆柱形凸台上的左侧夹板和右侧夹板组成；试验模型连接架的左侧夹板设置有螺钉孔，左侧的外轴承座设置有通孔，左侧的外轴承座通过穿过通孔的螺钉ⅲ固定在试验模型连接架的左侧夹板上；左侧的深沟球轴承的外圈与左侧的外轴承座连接，内圈安装在内轴承座ⅰ上；单分量mz天平左侧板通过左侧的外轴承座实现与天平连接架左框架的固定；试验模型连接架的右侧夹板设置有螺钉孔，右侧的外轴承座设置有通孔，右侧的外轴承座通过穿过通孔的螺钉ⅲ固定在试验模型连接架的右侧夹板上；右侧的深沟球轴承的外圈与右侧的外轴承座连接，内圈安装在内轴承座ⅱ上；单分量mz天平右侧板上的直槽孔与内轴承座ⅱ之间具有隔离缝隙；试验模型连接架的右侧夹板与单分量mz天平的右侧板通过销实现固定连接。
9.进一步地，所述的试验模型连接架和试验模型固定座为一个整体部件，通过整体加工成型。
10.本发明的微小量俯仰力矩测量方法，包括以下步骤：s10.各部件完成加工制造后对五分量天平及单分量mz天平进行应变计粘贴；s20.将五分量天平安装在支杆上后，在地面对五分量天平进行标定，获取五分量天平的载荷与电压信号的关系矩阵；将单分量mz天平安装在专用校准装置上，在地面对单分量mz天平进行标定，获取单分量mz天平载荷与电压信号的关系矩阵；s30.将单分量mz天平定位在天平连接架上后，将天平连接架安装在五分量天平上；之后按照先固定端后自由端的顺序，依次安装试验模型连接架、内轴承座ⅰ、内轴承座ⅱ、深沟球轴承、外轴承座和销；s40.安装完成后，在试验模型连接套上安装专用加载头，使用标准载荷进行加载，测试单分量mz天平对微小量俯仰力矩测量的测量精准度；s50.将完成安装和标定的微小量俯仰力矩测量装置安装在试验风洞中，安装好试验模型，五分量天平和单分量mz天平的各测量电桥通电，检查并确认各电桥信号输出正常；s60.试验启动，采集各测量电桥电压信号，通过步骤s20标定的关系矩阵将电压信号反算为气动力值，完成测量。
11.本发明的微小量俯仰力矩测量装置能够同时测量作用在试验模型上载荷极其悬殊的六个气动力与力矩，具有以下技术特点：一是微小量俯仰力矩载荷能够与单分量mz天平设计载荷匹配，同时减小试验模型重量对微小量俯仰力矩的测量干扰；二是组成测量装配体的五分量天平和单分量mz天平的所有部件全部设置在试验模型空腔内部，在高温试验条件下有效降低了温度效应，减少了试验数据的不确定度；三是试验方案简单，不需要重复装配，试验及数据修正、分析容易；
6和内轴承座ⅱ13同轴，此时，试验模型连接架11可绕内轴承座ⅰ6的轴转动。
19.如图4所示，在单分量mz天平5的右侧板，即自由端一侧，试验模型连接架11与单分量mz天平5的右侧板通过上下2个销14柱面紧配合定位安装，使单分量mz天平5的右侧板能够随试验模型连接架11绕内轴承座ⅱ13的轴转动。此时，单分量mz天平5的右侧板固定在天平连接架3上，右侧板随试验模型连接架11转动，单分量mz天平5中间的板条型的mz测量元件24因此产生变形，应变计输出mz数据信号。
20.如图5所示，五分量天平2为常规杆式应变天平，主要用于测量试验模型的升力y、轴向力x、侧力z、偏航力矩my和滚转力矩mx。五分量天平2的前端为连接法兰16，连接法兰16上有2个螺纹孔，连接法兰16的前端为定位柱面17，用于与天平连接架3的定位和安装。
21.如图6所示，单分量mz天平5为环式天平，左侧板为固定端，右侧板为自由端，中间是mz测量元件24。mz测量元件24为相隔90度的4片板条型的薄梁。单分量mz天平5的左侧板设置有定位孔和螺纹孔，用于与内轴承座ⅰ6的定位和安装。单分量mz天平5的左侧板设置有定位面，用于与天平连接架3的定位。单分量mz天平5右侧板设置有销孔19，用于与试验模型连接架11的连接。单分量mz天平5的右侧板设置有上下2个限位凸台20，安装完成后，2个限位凸台20的中间是天平连接架3，且与天平连接架3之间有一定的距离，单分量mz天平5的右侧板随试验模型连接架11绕轴转动后，发生变形位移，当限位凸台20与天平连接架3接触后，阻止变形继续变大，保护mz测量元件24。单分量mz天平5的右侧板设置有尺寸比内轴承座ⅱ13大的直槽孔21，确保使用时不与内轴承座ⅱ13接触，保证右侧板的自由状态。
22.本实施例的微小量俯仰力矩测量方法如下：s10.各部件完成加工制造后对五分量天平2及单分量mz天平5进行应变计粘贴；s20.将五分量天平2安装在支杆1上后，在地面对五分量天平2进行标定，获取五分量天平2的载荷与电压信号的关系矩阵；将单分量mz天平5安装在专用校准装置上，在地面对单分量mz天平5进行标定，获取单分量mz天平5载荷与电压信号的关系矩阵；s30.将单分量mz天平5定位在天平连接架3上后，将天平连接架3安装在五分量天平2上；之后按照先固定端后自由端的顺序，依次安装试验模型连接架11、内轴承座ⅰ6、内轴承座ⅱ13、深沟球轴承8、外轴承座9和销14；s40.安装完成后，在试验模型连接套上安装专用加载头，使用标准载荷进行加载，测试单分量mz天平5对微小量俯仰力矩测量的测量精准度；s50.将完成安装和标定的微小量俯仰力矩测量装置安装在试验风洞中，安装好试验模型，五分量天平2和单分量mz天平5的各测量电桥通电，检查并确认各电桥信号输出正常；s60.试验启动，采集各测量电桥电压信号，通过步骤s20标定的关系矩阵将电压信号反算为气动力值，完成测量。
23.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。