申请/专利权人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

申请日：2019-05-10

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN110108439B

主分类号：G01M9/06

分类号：G01M9/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2019.09.03#实质审查的生效;2019.08.09#公开

摘要：本发明涉及风洞测力试验技术领域，具体公开了一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平。一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，该天平包括风洞模型、敏感梁、半导体应变计以及加速度计，其中，风洞模型为中空结构，其与细长杆状的敏感梁固定连接，并在靠近风洞模型的敏感梁上设有半导体应变计；在风洞模型中还设有加速度计。本发明的应用于脉冲风洞的应力波风洞天平响应时间小于0.3ms，能够满足有效试验时间为毫秒量级的脉冲风洞的气动阻力测量试验要求，测量飞行器处于0°俯仰角时所受到的气动阻力。

主权项：1.一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：该天平包括风洞模型10、敏感梁6、半导体应变计8以及加速度计9，其中，风洞模型10为中空结构，其与细长杆状的敏感梁6固定连接，并在靠近风洞模型10的敏感梁6上设有半导体应变计8；在风洞模型10中还设有加速度计9；所述的风洞模型10包括模型顶头1、模型前段2和模型后段3，其中，模型前段2为中心开有通孔的圆弧盖状结构，所述的模型后段3为倒锥形中空结构，所述的模型前段2与模型后段3直径较大的一端通过螺纹拉紧固定，并利用止口进行定位；所述的模型顶头1为与模型前段2中心通孔相匹配的螺钉状结构；所述的敏感梁6尾部为一体成形法球状吸波球12，敏感梁6头部安装在模型后段3的中心轴线上，使模型顶头1、模型前段2、模型后段3、敏感梁6以及吸波球12共轴；所述的敏感梁6前端靠近模型后段3的位置处粘贴有半导体应变计8。

全文数据：一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平技术领域本发明属于风洞测力试验技术领域，具体涉及一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平。背景技术风洞天平是风洞测力试验中最重要的测量装置，用于测量飞行器模型在风洞流场中所受到的气动力载荷。脉冲风洞由于能够实现其他风洞设备难以实现的高马赫数、高总温流场状态，因而在高超声速飞行器设计研发过程中具有重要作用。但是，脉冲风洞的运行原理决定了其有效试验时间只有几毫秒甚至更少，要在极短的有效试验时间内实现飞行器模型气动载荷的准确测量就需要从测量原理和结构设计上对风洞天平进行创新研制专用的脉冲风洞天平。现有的脉冲风洞天平种类主要包括：半导体应变计式风洞天平、箔式应变计式风洞天平、压电天平等。在实际应用中，脉冲风洞在流场产生过程中不可避免的引起试验装置的强烈振动，较难从强烈的振动信号中提取修正有效的气动载荷信号。对于活塞驱动的激波风洞，其有效试验时间普遍在1毫秒以内，常规脉冲风洞天平无论在响应速度还是在抗振动干扰方面，都极难满足使用要求。应力波风洞天平被认为是进行极短有效试验时间风洞测力试验的理想试验装置。现有的应力波天平难以工程化应用，主要有两个原因，第一是试验模型必须实心设计以保证应力波在模型中的传播，较大程度降低了该应力波风洞天平的动态响应特性；第二是没有反射应力波抗干扰手段，导致若有效试验时间为10ms，敏感梁将长达15m，显然不切合实际。发明内容本发明的目的在于提供一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，解决现有应力波天平难以工程化本发明的技术方案如下：一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，该天平包括风洞模型、敏感梁、半导体应变计以及加速度计，其中，风洞模型为中空结构，其与细长杆状的敏感梁固定连接，并在靠近风洞模型的敏感梁上设有半导体应变计；在风洞模型中还设有加速度计。所述的风洞模型包括模型顶头、模型前段和模型后段，其中，模型前段为中心开有通孔的圆弧盖状结构，所述的模型后端为倒锥形中空结构，所述的模型前段与模型后端直径较大的一端通过螺纹拉紧固定，并利用止口进行定位；所述的模型顶头为与模型前段中心通孔相匹配的螺钉状结构。所述的敏感梁尾部为一体成形法球状吸波球，敏感梁头部安装在模型后段的中心轴线上，使模型顶头、模型前段、模型后段、敏感梁以及吸波球共轴。所述的敏感梁前端靠近模型后段的位置处粘贴有半导体应变计，其分为2组，每组包含4个半导体应变计组成一个惠斯通电桥结构，在半导体应变计外部包裹有内衬套，并利用安装在内衬套和敏感梁之间的密封圈将半导体应变计进行密封。所述的风洞模型与敏感梁的材料尺寸需要满足以下关系式：式中，ρ1为风洞模型材料密度，C1为风洞模型材料中的应力波波速，A1为风洞模型等效横截面面积，ρ2为敏感梁材料密度，C2为敏感梁材料中的应力波波速，A2为敏感梁的横截面面积。所述的敏感梁截面为正方形结构，中心轴开有走线孔，其满足长径比关系式：式中，d为敏感梁横截面正方形的边长，L2为敏感梁的长度。所述的模型前段和模型后段的材料为铝合金，模型顶头为钢结构。所述的敏感梁头部通过环氧树脂粘贴在模型后段的中心轴线上；所述的敏感梁采用铜合金材质制成。所述的模型前段与模型后端所形成空腔的模型后端端面中心安装有加速度计。所述的敏感梁的中段设有2组滑轮，利用滑轮将应力波风洞天平悬挂安装。本发明的显著效果在于：本发明所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平通过模型、敏感梁材质选择和尺寸约束，能够实现有效试验时间为毫秒量级的脉冲风洞的阻力测量试验要求；通过在模型内部安装加速度计，能够实现在应力波风洞天平输出信号中对结构振动干扰信号进行补偿；通过敏感梁尾部的球状结构设计，能够有效耗损敏感梁尾部产生的反射应力波，避免对有效信号产生干扰；通过合理的敏感梁长径比设计，能够有效保证模型受到流场作用产生的应力波沿敏感梁传播时很好的近似为一维传播状态。本发明的应用于脉冲风洞的应力波风洞天平响应时间小于0.3ms，能够满足有效试验时间为毫秒量级的脉冲风洞的气动阻力测量试验要求，测量飞行器处于0°俯仰角时所受到的气动阻力。附图说明图1为本发明所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平结构示意图；图2为本发明所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平剖视图；图3为本发明所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平爆炸图；图中：1、模型顶头；2、模型前段；3、模型后段；4、内衬套；5、滑轮；6、敏感梁；7、密封圈；8、半导体应变计；9、加速度计；10、风洞模型；11、走线孔；12、吸波球。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1～3所示，一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，包括风洞模型10、敏感梁6、半导体应变计8以及加速度计9，其中，风洞模型10包括模型顶头1、模型前段2和模型后段3，模型前段2为中心开有通孔的圆弧盖状结构，模型后端3为倒锥形中空结构，模型前段2与模型后端3直径较大的一端通过螺纹拉紧固定，并利用止口进行定位；模型顶头1为与模型前段2中心通孔相匹配的螺钉状结构，其中，模型前段2和模型后段3的材料为铝合金，模型顶头1为钢结构；在模型前段2与模型后端3所形成空腔的模型后端3端面中心安装有加速度计9；敏感梁6为截面正方形形状的细长杆结构，并在其中心轴线上开有走线孔11，敏感梁6尾部为一体成形法球状吸波球12，敏感梁6头部通过环氧树脂粘贴在模型后段3的中心轴线上，使模型顶头1、模型前段2、模型后段3、敏感梁6以及吸波球12共轴；敏感梁6采用铜合金材质制成，在敏感梁6前端靠近模型后段3的位置处粘贴有半导体应变计8，其分为2组，每组包含4个半导体应变计组成一个惠斯通电桥结构，在半导体应变计8外部包裹有内衬套4，并利用安装在内衬套4和敏感梁6之间的密封圈7将半导体应变计8进行密封；在敏感梁的中段安装有2组滑轮5，可利用滑轮5将应力波风洞天平悬挂安装；此外，风洞模型10与敏感梁6的材料尺寸需要满足以下关系式：式中，ρ1为风洞模型10材料密度，C1为风洞模型10材料中的应力波波速，A1为风洞模型10等效横截面面积，ρ2为敏感梁材料密度，C2为敏感梁6材料中的应力波波速，A2为敏感梁6的横截面面积。其中，风洞模型10等效横截面面积A1按照以下公式计算：式中，m1为风洞模型10的质量，L1为风洞模型10在敏感梁6中轴线方向的长度。所述的敏感梁6满足长径比关系式：式中，d为敏感梁6横截面正方形的边长，L2为敏感梁6的长度。本发明所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平具体使用过程为：在试验前，对本发明的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平需要进行校准，在校准时，将应力波风洞天平通过滑轮5悬挂安装在保护罩装置中，保护罩装置安装在校准台上，将模型10调整至俯仰角度为0°，偏航角度为0°的状态。使用力锤敲击模型10前端模型顶头1，使用数据采集仪器记录所述的应力波风洞天平的输出信号，应用反卷积算法计算出所述的应力波风洞天平的传递函数。试验时，将所述的应力波风洞天平悬挂安装在保护罩装置中，保护罩装置安装在风洞中，将模型10调整至俯仰角度为0°，偏航角度为0°的状态。运行风洞，使用数据采集仪器记录所述的应力波风洞天平的输出，并应用反卷积算法计算出流场作用在模型10上的载荷。此载荷即为模型10在该风洞流场下的阻力。

权利要求：1.一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：该天平包括风洞模型10、敏感梁6、半导体应变计8以及加速度计9，其中，风洞模型10为中空结构，其与细长杆状的敏感梁6固定连接，并在靠近风洞模型10的敏感梁6上设有半导体应变计8；在风洞模型10中还设有加速度计9。2.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的风洞模型10包括模型顶头1、模型前段2和模型后段3，其中，模型前段2为中心开有通孔的圆弧盖状结构，所述的模型后端3为倒锥形中空结构，所述的模型前段2与模型后端3直径较大的一端通过螺纹拉紧固定，并利用止口进行定位；所述的模型顶头1为与模型前段2中心通孔相匹配的螺钉状结构。3.根据权利要求2所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的敏感梁6尾部为一体成形法球状吸波球12，敏感梁6头部安装在模型后段3的中心轴线上，使模型顶头1、模型前段2、模型后段3、敏感梁6以及吸波球12共轴。4.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的敏感梁6前端靠近模型后段3的位置处粘贴有半导体应变计8，其分为2组，每组包含4个半导体应变计组成一个惠斯通电桥结构，在半导体应变计8外部包裹有内衬套4，并利用安装在内衬套4和敏感梁6之间的密封圈7将半导体应变计8进行密封。5.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的风洞模型10与敏感梁6的材料尺寸需要满足以下关系式：式中，ρ1为风洞模型10材料密度，C1为风洞模型10材料中的应力波波速，A1为风洞模型10等效横截面面积，ρ2为敏感梁材料密度，C2为敏感梁6材料中的应力波波速，A2为敏感梁6的横截面面积。6.根据权利要求5所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的敏感梁6截面为正方形结构，中心轴开有走线孔11，其满足长径比关系式：式中，d为敏感梁6横截面正方形的边长，L2为敏感梁6的长度。7.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的模型前段2和模型后段3的材料为铝合金，模型顶头1为钢结构。8.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的敏感梁6头部通过环氧树脂粘贴在模型后段3的中心轴线上；所述的敏感梁6采用铜合金材质制成。9.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的模型前段2与模型后端3所形成空腔的模型后端3端面中心安装有加速度计9。10.根据权利要求1所述的一种用于脉冲风洞的应力波风洞天平，其特征在于：所述的敏感梁6的中段设有2组滑轮5，利用滑轮5将应力波风洞天平悬挂安装。

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