大長(zhǎng)徑比模型多維氣動(dòng)力測(cè)量設(shè)計(jì)范文

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摘要：針對(duì)大長(zhǎng)徑比模型測(cè)力天平極易出現(xiàn)的向間干擾大和固有頻率低的難題，從理論上得到了最小向間干擾下的外力作用點(diǎn)位置；利用ANSYS分析，得出天平最高固有頻率下的傳感器最優(yōu)跨距。根據(jù)力作用點(diǎn)位置和最優(yōu)跨距，完成了天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的壓電天平進(jìn)行性能評(píng)定，計(jì)算非線性、重復(fù)性和向間干擾等靜態(tài)精度指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的壓電天平具有向間干擾小﹙2%﹚、量程大﹙12000N﹚、固有頻率高﹙600Hz﹚等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大長(zhǎng)徑比；多維載荷；大跨距；壓電天平；靜態(tài)測(cè)試

引言

風(fēng)洞天平作為風(fēng)洞氣動(dòng)力試驗(yàn)［1，2］的核心設(shè)備，為飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制提供核心數(shù)據(jù)［3，4］。現(xiàn)代飛行器模型呈現(xiàn)的大長(zhǎng)徑比、大氣動(dòng)載荷、大重量的特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)洞天平的向間干擾、量程、固有頻率有較高要求，為其設(shè)計(jì)和制造增加很大難度。因此，設(shè)計(jì)出一種低向間干擾、大量程、高固有頻率的風(fēng)洞天平具有重要意義［5］。針對(duì)大長(zhǎng)徑比、大重量模型氣動(dòng)力/力矩測(cè)量的測(cè)力天平，國(guó)內(nèi)外一直都在研究。MarineauEC等人［6］針對(duì)縮比為1/20的阿波羅艙利用一種三分量加速度補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)天平實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)量；MurphyKJ等人［7］使用5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的六分量應(yīng)變天平測(cè)得了X—33飛行器的0.007比例模型的3個(gè)空氣動(dòng)力和力矩。大連理工大學(xué)王飛［8］針對(duì)一定縮尺比下的高速流場(chǎng)飛行器模型，基于壓電石英晶體與壓電效應(yīng)，在特定的空間限制下設(shè)計(jì)了五維力桿式壓電天平，為新一代風(fēng)洞天平的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心劉洪山等人［9］研究了激波風(fēng)洞大重量測(cè)試模型試驗(yàn)中的壓電天平應(yīng)用，該天平結(jié)構(gòu)上由兩部分組成且每部分都有足夠剛度以滿足標(biāo)定需求。從國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的文獻(xiàn)來(lái)看，一方面，針對(duì)大長(zhǎng)徑比、大重量模型，大都采用大縮比測(cè)試模型的應(yīng)變計(jì)測(cè)量方法，未找到直接測(cè)量其尺寸模型氣動(dòng)載荷的試驗(yàn)；另一方面，由于應(yīng)變天平是根據(jù)彈性元件的變形來(lái)測(cè)量氣動(dòng)載荷的大小，會(huì)很大程度上限制模型的尺寸與重量，而壓電天平正由其優(yōu)良的品質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注。本文針對(duì)飛行器模型的大長(zhǎng)徑比特點(diǎn)，解決了天平剛度小和固有頻率低的難題，設(shè)計(jì)了適用于大長(zhǎng)徑比、大重量測(cè)力模型的大跨距四點(diǎn)式壓電天平，并通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了天平性能。

1向間干擾分析

向間干擾指為被干擾方向的輸出與其自身方向的滿量程之比的百分?jǐn)?shù)［10］。對(duì)于測(cè)量大長(zhǎng)徑比風(fēng)洞模型氣動(dòng)力的測(cè)力天平，其傳感器跨距會(huì)相應(yīng)增大。傳感器之間跨距較大時(shí)，天平剛度是影響天平性能的首要問(wèn)題。如果剛度太小，當(dāng)外界矢量力施于天平時(shí)將導(dǎo)致天平發(fā)生不同程度的撓曲變形，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示。天平上板簡(jiǎn)化為AB球形曲面，天平總長(zhǎng)為l，D為天平中點(diǎn)位置，O為球心，R為半徑，C為外力Fz作用點(diǎn)位置，其偏移中心線的距離為d，γ為z軸與球形曲面法線的夾角，wD為中點(diǎn)位置的撓度。如果d為0時(shí)，z向加載不會(huì)引起x向的附加輸出，不存在向間干擾；如果d不為0，則引起的x向附加輸出為F'x。式中EI為梁的彎曲截面剛度。當(dāng)F取25000N，l取2500mm，EI取3.2×105N•m2時(shí)，力作用點(diǎn)偏移中心線距離d與向間干擾Wxz的關(guān)系曲線如圖2所示。由上述分析可知，天平向間干擾隨偏移距離d的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，由于天平變形將產(chǎn)生不能忽略的向間干擾。為了提高測(cè)試數(shù)據(jù)的精度，必須設(shè)計(jì)一種解決方案，使作用于天平上板的力僅僅通過(guò)較小向間干擾位置向天平傳遞，從而避開(kāi)作用在較大向間干擾位置的可能。

2固有頻率

從壓電天平動(dòng)態(tài)測(cè)試來(lái)看，固有頻率越高越好，根據(jù)ωn=√K/m，固有頻率與系統(tǒng)剛度成正比，而傳感器跨距是影響系統(tǒng)剛度的重要因素，因此，求得傳感器跨距a與系統(tǒng)固有頻率ωn之間的關(guān)系是天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以跨距a為輸入?yún)?shù)，固有頻率為輸出參數(shù)，將壓電天平裝配體導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，一階振型如圖3所示，得到天平傳感器跨距a與系統(tǒng)固有頻率ωn的關(guān)系曲線如圖4所示。可以得出，隨著a的增大，ωn呈先增大后減小的趨勢(shì)，存在最高固有頻率。若要滿足壓電天平高固有頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)試要求，必須選擇最優(yōu)的傳感器跨距。

3靜態(tài)特性試驗(yàn)

3.1標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示為天平z向標(biāo)定實(shí)物。標(biāo)定裝置主要由標(biāo)定臺(tái)、加載件、力源發(fā)生器組成。加載力的大小由標(biāo)準(zhǔn)力傳感器監(jiān)測(cè)，力作用下壓電天平產(chǎn)生的電荷經(jīng)過(guò)高阻抗電荷放大器收集并放大成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳遞到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算并顯示。4個(gè)液壓力源完成升力Fz、阻力Fx和俯仰力矩My三維載荷加載，標(biāo)定系統(tǒng)示意如圖6所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定，可以得到非線性、重復(fù)性和向間干擾等由表1~表3可以看出：天平的非線性度最大值為1.17%，重復(fù)性最大值為1%，向間干擾最大值為1.72%，表明天平具有良好的使用性能。

4結(jié)論

針對(duì)大長(zhǎng)徑比模型測(cè)力天平極易出現(xiàn)的向間干擾大和固有頻率低的難題，通過(guò)理論分析得到了外力作用位置與向間干擾的關(guān)系，通過(guò)ANSYS分析得到天平傳感器跨距與天平固有頻率的關(guān)系。根據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行了壓電天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成了標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果表明：天平的非線性度、重復(fù)性和向間干擾均控制在2%以?xún)?nèi)，各項(xiàng)精度指標(biāo)均在誤差允許的范圍內(nèi)。該天平具有高靈敏度、高剛度和高固有頻率的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)徑比測(cè)力模型空間多維力/力矩測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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［10］孫寶元，張貽恭.壓電石英力傳感器及動(dòng)態(tài)切削測(cè)力儀［M］.北京：計(jì)量出版社出版，1985：89−91.

作者：任宗金 張亞娟 張軍 杜瑞鋒 徐田國(guó) 單位：大連理工大學(xué)