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1、大升阻比框式应变天平研制 薛伟 ( 国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙4 1 0 0 7 3 ) 摘要：高高空无人飞行器通常展弦比较大要具备走升阻比的飞行特性，霹此在风渭试验 中需要研制大升阻比的内式应变天平来满足型号试验的要求研制中通过合理利用天平空间的宽度尺 寸来布置测量元件，刺用整体结构来解决高度受限制、利用四升力双阻力双侧力形式组合输出来解决 太升阻比利用框式结构来解决刚，牲问题等措施，很好的解嶷了设计中的难题，设计出了满足技术要 求的新型大升阻比应变天平 主题词：应变天平，大升阻比，风洞试验 l 引言 根据型号单位提出的要求，对。十五”无人机重点项目开展风洞试验研究，通过风洞试
2、验测定全 机、部件气动参数。为气动布局。怎体参数选择提供依据将在气动中心低速所8 越x 6 m 风洞孛测定 X X X ( 1 4 ) 模型气动力及力矩试验须测量在8 0 t r d s 风速时模型的气动载荷，T H 2 3 0 1 A 即为该项任 务而专门设计 2 设计 2 1 设计技术条件 2 1 I 设计载荷 2 1 2 天平设计空间：长X 宽X 高= 3 5 0 2 3 0 x 8 0 ( I n m ) 2 1 3 试验支撑方式z 两点腹撑方式 2 2 设计难点 2 2 1 试验载荷大，但阻力分量小，载荷不匹配 升力分量很大，阻力很小。这种载荷不匹配，增妇了应变天平约设计难度。磐须合
3、理布局天平元 件，否则就会影响应变天平的性能，影响测量的精准度 2 2 2 天平设计空间小 天平设计空问要求：长宽离= 3 5 0 2 3 0 X 8 0 ( 咖) ，设计过程中合理利用宽度尺寸布局测力 元件来满足长度要求，利用整体结构来解决高度受限问题 2 2 3 小阻力测量精准度高 应变天平的设计、静校结果要达到或超过国家军用标准0 r 8 2 2 4 4 9 4 低速风洞与高速风洞测力实 验精度指标的要求，更好地满足型号试验的要求，除了设计好之外，还在应变天平静校时采取对载 荷分段静校的研究方法来获取天平使用公式采用4 升力、2 阻力、2 测力元件组合方式增大分量输出 提高灵敏度，六个分
4、量的载荷经过八个测量单元信号的不同组合，完成六个分量的电气分解，从而实 3 t L , 六个分量的独立测量 2 2 4 刚性要求高 要达到较高的精准度，升力分量大，阻力分量小，同时模型的翼展长，吹风试验时容易带来德仰 和滚转方向上的振动，要减小吹风试验时的振动，增加模型天平支捧系统的刚性。是此次试验必须解 决的问题而天平是连接模型、支杆的重要环节，所以必需首先解决好天平的刚性问题此次天平设 计采用整体框式结构型式，利用同等载荷清况下框式天平比杆式天平剧性好的优势，解决目4 性要求离 的问题。 2 3 设计计算 2 3 1 天平简介 如图l 所示。为保证天平的使用性能，该框式天平为整体式结构，主
5、要有以下几部分构成；浮动 框、固定框和弹性连杆 国1 固定框上分布有八个悬臂粱( N I N 8 ) ，浮动框与固定框之间用八根弹性连杆连接起来，其中 坐标x 方向两根，Y 方向四根，z 方向两根弹性连杆是二力杆，其主要功能是传递轴向的拉、压力t 减少横向载荷对测量的影响，使各测量单元( 悬臂粱) 只感受欲测载荷的作用，从而完成其机械分解 的功能。六个分重的载荷经过，L 个铡量单元信号的不同组合，可迸一步完成六个分量的电气分解，从 而实现六个分量的独立测重 2 3 2 应变计算 天平材料选用F 1 4 1 ，其弹性模量E = I 8 7 X 1 0 1 1 P a ，屈服极限0s = 1 9
6、7 X 1 0 9 P a ，各悬臂粱的结构参 数如表2 所示 I Lb I h l N 1 N 4 I 2 8 l 3 0 1 2 i N S N 6 I 2 3 2 08 , 5 N 7 N 8 1 81 2 J 7 3 L M x = 2 0 0 L M y = 2 8 0 L M f 吐8 0 各铡量单元应变计算公式如下： 勺2 i 矿 f = 1 3 X 孬( L - r 3 ) 鬻譬 3 z ( L - 3 ) 屯2 1 赢广 6 M 。化一3 ) 钆12 亏 = 等竽 其中，唧，白F 为各测量单元贴片处平均应变计算结果如表3 所示z 。医囊X 三1 0 - 6 ) 玉9 习2 7
7、 受9 3 9 蛋4 妇9 6 三3 7 9 王圈1 0 8 3 1 8 5 l 应变值(jIIllll 2 3 3 输出信号计算值 应变片选用箔式应变片，电阻值为R = 3 5 0 0X 2 = 7 0 0 Q 供桥电压选用1 2 伏，电拼输出信号计算 公式如下： U = 再l s ； ( f = 一X 艏。) 其中，A u 为各测量单元的最大输出信号，m V ；K 为应变片的灵敏系数，K - - 2 ；U 为电桥激励电压；N 为电桥组数。 计算结果如表4 所示； 1 2 4 0 悬臂粱强度计算 悬臂梁强度计算公式如下： 6 儿 2 丽 其中，o m x 为澳量单元所受最大应力P a zP
8、为测量单元所受最大载荷N ：旦 吒。 计算结果如表5 所示。各测量单元强度足够 测量单元卜- 4 1 1 7 8 5 o 4 5 8 测量单元，6 1 9 2 8 o 3 1 5 测量单元7 3 1 2 5 0 o 2 1 l 塑差塾查笪量凹 最大应力( 1 0 9 P a ) ：+ 岛基害警墼_ 竺二 二卫二二 二王口 b 弹性连杆强度计算 弹性连杆强度计算公式如下： 盯2 仃F + o D = 9 9 9 6 x 下et 矿o 5 7 + 瓦P 其中，P 为测量单元所受最大载荷，N ；护为弹性铰链最大转角，此处目= 0 2 ；R 为弹性铰链圆 弧半径；b 为弹性铰链宽度；t 为弹性铰链厚度
9、具体值如袭6 所示 2 1 3 5 r ：曼 。 计算结果如表7 所示，计算结果表明弹性连杆强度足够 f测量单元l 4测量单元5 6 测量单元7 8 相关载荷分量I 1 1 7 8 5 J1 9 2 8 1 2 5 0 最大应力( 1 0 9 P a ) I O 2 6 20 1 9 3 0 2 5 安全系数 7 5 1 0 27 9 a 测量单元刚度计算 测量单元的挠度计算公式如下： 4 n l 三 。 E b h i b 弹性铰链刚度计算 根据低速风洞天平手册的图4 - 1 8 可以查出铰链的拉压当量长度为L - - 2 6 m m 弹性铰链变形计算公式为： 址：盟 。 E b t ( f
10、 = X ，r ，Z ) 计算结果如表8 所示： 衰8 X 方向( m m ) Y 方向( m m )Z 方向( m m ) 测量单元 0 0 5 9 0 1 0 70 0 9 I 弹性连杆 0 0 1 4 0 0 1 J0 0 l l 合计 0 0 7 3 0 1 2 2n 1 0 2 2 4 电桥设计 通过组合方式输出，天平设计为四个升力悬臂粱B l v B 4 ；两个侧力悬臂梁B 5 、B 6 ；两个阻力悬 臂粱涮力元件B 7 、B 8 组合成六分量测量，组合方式为： n y = B l + B 2 + B 3 + B 4 n x = B 7 + B 8 n m z = B l + B
11、2 - B 3 - B 4 n z = B 5 + B 6 r t m y = B 5 B 6n m x - B I + B 4 - B 2 - B 3 2 5 计算结论 计算结果表明，该天平无论是强度、刚度以及灵敏度都能满足使用要求。 3 校准 3 1 校准信息 3 天平型号 n 2 3 0 I A1 种类I 常温常规潮力l由口翦：# fI 厶1 鍪 加载头辗号J B 加萤：耍 口- 1 6 0 8 1 9 1 0 - 5M Zr M z 萤付w m 、 p - - 2 8 9 2 3 4 i 0 - j M Y胁蕈付N m 1 V = 4 9 9 7 2 6 1 0 5 M Xr M x
12、丝f 帝N m 、 静校中心距基准面距离 ( 见附图) 说明 I 校准方法采用地轴校： 2 弹性角公式为天平元件的弹桦角馋吉 分量 一 。 Y X M ZZ M y M x 设计载荷C N , N m ) 2 0 0 0 0 2 5 0 0 1 5 0 01 0 0 0 4 0 04 0 0 - 校准载荷( N N m ) I ：1 ：1 6 0 0 0 - + - 2 5 0 0 1 5 0 0士1 0 0 0：t ：4 0 0 士4 2 0 精确度( ，钳 0 0 10 0 8 7 0 0 2 40 0 2 90 0 4 l O 0 3 5 准确度f 、 0 0 3 O 1 5 0 0 7 0 1 50 1 6O 0 9 。望吞平通过在T J Z - 1 地轴系校准架上校准，加载结果表明；天平整体刚性好，尤其针对大展弦 些堡型壁现得要为明显t 天平灵敏度高，尤其是阻力分量达到了1 6 3 微伏，公斤，2 9 毫伏，伏输出分 军之间相互干扰小t 天平综合性能指标高，完全能够满足型号试验的大升阻比测量、刚性妥求高的需 4 结果分析及建议 加 可 要 优 【1 】 【2 】 【3 】 【4 j
