应变天平

摘要： 风洞测力试验是高超声速飞行器研发的重要环节,随着这项技术的发展,试验模型的大尺度化成为高超声速风洞试验的趋势.在几百毫秒的有效测试时间内,大尺度测力系统刚度减弱等问题会严重导致气动力辨识精度变差,试验模型大尺度化对短时脉冲燃烧风洞精确气动力辨识带来了挑战.对此本文提出了一种新的基于传统信号处理结合深度学习的智能气动力辨识算法,该框架分解两个主要阶段:(1)信号分解,(2)数据训练.其中信号分解阶段通过变分模态分解将原始数据分解为不同模态子信号,随后通过Pearson相关性分析筛除干扰子信号;在训练阶段通过深度学习模型提取训练数据集中含有有效特征的子信号,最终得到真实气动力信号.此外,为增强算法的鲁棒性,在算法框架不同阶段通过不同方法对算法中的超参数进行优化得出最优参数组合.此算法在气动力辨识精度以及抗干扰等方面都得到了比较理想的结果.通过悬挂测力实验台进行验证,结果表明该算法可以有效滤除由大尺度模型带来的传统方法难以消除的干扰分量.最后应用于脉冲燃烧风洞的大尺度模型测力系统,气动力辨识精度得到有效提高.

摘要： 针对常用的阶梯变迎角数据处理方法处理连续变迎角试验数据时,不能去除低频振动分量的问题,基于试验数据中的近似对称、局部线性等特点,提出一种将数据进行分段二项式拟合的处理方法,并详细论述其基本原理,重点介绍基于方差极小值动态确定数据分段长度的方法.基于测试信号的实验结果表明所提方法可将低频分量信号滤除近70％,有效提高数据处理精度.经标模试验测试验证,所提方法可成功应用于某些试验.

摘要： 内式应变天平的轴向力元件结构在受到大载荷尤其是大力矩载荷后,其支撑片上的最大应力是限制天平最大承载能力的主要因素.研制了一台大力矩内式应变天平,并采用有限元分析方法对轴向力元件的支撑片和测量梁进行了优化和改进.将支撑片的外形由传统的等截面改进为变截面,减小支撑片中间部位的厚度,并增加两端的厚度,在保持天平轴向刚度一致的基础上,降低了支撑片上的最大应力;采用变截面结构的轴向力测量梁,减小了测量梁上的应变梯度.有限元分析结果表明:与传统的等截面支撑片相比,变截面支撑片上的应力分布比较均匀,其根部最大应力减小了20％以上;与等截面测量梁相比,变截面测量梁上的应变梯度降低了79％.天平校准结果与有限元分析结果一致,风洞测力试验也表明该天平具有良好的稳定性.

摘要： 高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时,测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响,其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决,尤其对试验时间只有几毫秒的情况,六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战.因此,对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现,天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念,并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准,而非仅仅针对天平,并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象,确保校准与应用的一致性. 在测试评估中,测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果,大幅度低频振动干扰基本被消除,脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.

摘要： 针对当前天平校准系统单级砝码加载细分不足及效率较低的现实问题,研制了一套全自动天平校准系统.首先,设计了一种全新的三级砝码自动加载装置,该装置采用三套相互独立的传动机构,由电机拖动、直线滑轨导向,可保证随时实现载荷按阶梯自动加载.其次,确定了六自由度串联复位方式,采用铰链连接形式,以形成连杆机构将伺服电动缸传动的直线运动转换为旋转运动.测试结果表明:系统各项性能指标达到了设计要求,机构性能可靠.

摘要： 针对旋转弹箭兵器风洞测力试验微量滚转力矩测量精度低的问题,提出了内外分立式测量元件新型结构型式,开展了应变天平结构优化设计和灵敏度有限元设计,成功地研制了一套新型风洞测力试验微量滚转力矩测量应变天平。静态校准精度满足风洞试验应变天平GJB2244A—2011标准,滚转力矩分量动态校准精度达到弹箭兵器标模风洞测力试验精度规范先进指标,提高了旋转弹箭兵器风洞测力试验精度。

摘要： 应变天平是风洞测力试验中的主要测量设备,对试验数据质量和运行效率具有重要影响.为了提高天平自身的防护性能,减少试验运行过程中的天平故障概率,提出了基于3D打印风洞应变天平防护装置的快速开发方法.分析了天平防护装置的需求,研究了3D打印天平防护装置的关键技术、设计因素与研制流程.开展了3D打印技术在设计优化验证和风洞试验天平防护装置研制2方面研究.分别设计了整体式水冷罩和组合式杆式天平防护装置.对于具有复杂内部结构的天平水冷罩,3D打印技术可以对设计优化结果进行验证评估.通过3D打印技术完成杆式天平防护装置研制,在风洞试验中对所使用的天平进行了防护应用.实际应用表明,防护装置可有效避免应变计及线路在校准、运输、模型装配和试验过程中损坏.相比传统机械加工,3D打印天平防护装置不仅能实现设计优化验证,而且可大幅降低加工周期和成本,促进了天平综合性能的提升.%The strain gauge balance is the main equipment used in wind tunnel test, which has an important influence on the quality of test data and operational efficiency. To improve the balance self-protection performance and lower balance failure rate in test operations, a quick development method based on three-dimensional (3D) printing for the wind tunnel strain gauge balance (SGB) protective device is proposed. By decomposing the design factors, the key factors pertaining to the design of balance protective device are studied. A design flow and method based on 3D printing is put forward. The 3D printing technology can be applied to the optimization of balance guards in two aspects: (1) to optimize and visualize design schemes; (2) to protect strain gauges and circuit on balances for wind tunnel tests. Both water-cooled balance protective device and assembly type mechanical protective device are designed. For the water-cooled device with complex internal structure, 3D printing technology makes design to be visualized, which is helpful for design verification before manufacturing. The assembly type product, manufactured by means of 3D printing technology, is applied in corresponding balance protection for wind tunnel force measurement test. The perfect combination of strain gauge balances with their highly customized, lightweight balance protective devices by 3D printing, serves not only to protect the strain gauges and wires from damages in the process of calibration, transportation, model assembly and testing, but also to make impressive visual artworks of the balances, rendering them functional, practical, economical and artistic. Compared with machining of a balance protective device in the traditional way, 3D printing can greatly reduce the processing cycle and the cost. Meanwhile design visualization can validate technical solutions in the design stage. Both applications promote the overall performance of the balance.

摘要： 铰链力矩测力试验是主要的风洞试验项目之一,作为测力核心的铰链力矩天平受模型外形限制严重,结构不统一,在高速暂冲式风洞中还面临较大的冲击载荷以及天平温度分布梯度大等问题,实现精确测量难度很大.针对该问题,中国空气动力研究与发展中心高速所依靠其风洞硬件以及人才优势,开展了多个项目的铰链力矩天平攻关,经过多年的研究发展,研制出一系列结构独特的铰链力矩天平,基本满足了各类飞行器的高速风洞铰链力矩试验需求.

摘要： 高超声速激波风洞的气动力测量试验中,惯性力干扰将导致模型及支撑系统的低频振动.在有效试验时间内,这种干扰使天平信号周期数减少并且很难通过信号滤波进行消除.由于自振频率与模型的尺度成反比例关系,这种影响大大限制了大尺度激波风洞测力模型的尺寸和重量.所以,激波风洞应变天平的技术关键体现在整体的刚度特性.在本文中,设计了几种不同的高频结构应变天平并重点针对轴向力测量单元进行了有限元结构优化.同时,应用一个大尺度的尖锥标准模型对研制的应变天平在JF12长试验时间(超过100ms)激波风洞进行动态校准测力试验.试验结果与其他风洞的数据具有较好的一致性,新天平表现出优异的结构特性和测力性能.

摘要： 环境温度变化会导致风洞应变天平信号输出产生变化,这种温度效应是制约风洞应变天平测量不确定提高的一个重要因素,国内外研究机构对此都高度重视.当前,通过对天平零点温度漂移和灵敏度温度漂移进行前端硬件补偿,结合天平的热防护技术,天平温度效应修正取得了不错的效果;但对于不断增高的需求,天平温度补偿还应该继续深入开展工作,今后应变天平温度补偿将在软件补偿技术、温度梯度补偿技术、温度补偿试验调试规律研究以及带温度进行天平校准等方向上向前发展.

摘要： 受模型空间限制和载荷测量需求,研制了一种新型板框式结构的风洞应变天平用于某飞行器模型风洞测力试验.采用多铰链并联结构,结合有限元分析进行结构优化,并利用模型连接装置增强天平模型端刚度.天平静校数据表明,采用此新型结构是合理的,天平具有较高的测量精度.

摘要： 本文介绍了一种用于脉冲燃烧风洞重模型测力试验的腹支内式六分量应变天平研制方案,脉冲燃烧风洞试验时间短、冲击载荷大,模型重量大,要求天平能够快速响应,设计方案兼顾了刚度和灵敏度,天平静校指标满足要求.试验结果表明,天平输出信号与燃烧室压力的跟随性良好,能够正确反映模型的受力状态,轴向力系数的重复性精度达到了1.6％,天平性能稳定,由模型/天平/支架构成的测力系统在轴向力、法向力和俯仰力矩三个分量上输出信号的主频均满足脉冲风洞的测力要求.该天平方案满足模型在脉冲燃烧风洞试验中的测力要求.

摘要： 中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过l00ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞瞬态测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1000N到30000N,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列瞬态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.

摘要： 中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷从1000N到30000N,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,应用不同尺度的标模对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态测力试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平结构特性和测力性能.

摘要： 高超声速飞行器在飞行过程中，来流通过激波压缩或粘性阻滞过程减速，空气的巨大动能转变为热能，飞行器的激波层和边界层内的空气温度急剧升高。本文介绍了在JF12长试验时间激波风洞中,在复现40km高度,飞行马赫数7的试验条件下,开展的尖锥标模天平测力试验研究结果.试验模型为10度尖锥气动力标模,模型长度为750mm,模型重量10kg.采用3分量应变天平进行气动力测量.喷管的名义马赫数为M7,来流总温为2200K.模型攻角分别为5度、10度和14度.试验结果表明:对比常规高超声速风洞的气动力测量结果,轴向力系数和压心系数表现出良好的一致性;而法向力系数呈现出随攻角增大而逐渐偏低的趋势.在14度攻角时,两种风洞试验结果的差别高达10％.JF12长试验时间激波风洞的每个状态都进行了重复性试验,重复性散差小于2％.这是首次在激波风洞中通过天平测力获得了真实气体效应对模型气动力特性的影响规律,其中的关键物理机制需要进行更进一步的研究.

摘要： 在Φ0.3m高超声速低密度风洞中,高空高马赫数飞行条件下的飞行器气动力测量试验具有模型小、载荷小、模型温升快等特点.本文简要介绍了针对该试验条件的一种三分量气动力测量应变天平的研制情况.对该天平研制的关键技术进行了分析,提出了旋转90°安装测力模型,采用水平变攻角的运行方式进行模型纵向气动力测量的测力方案,将模型重量与法向力、俯仰力矩气动载荷进行分离,有效解决了气动力载荷与模型重量不匹配的问题,提高了气动力测量精准度.在天平研制过程中,同时开展了天平结构有限元优化分析工作,获得了天平在各种工况下的受力结果数据,提高了天平设计的准确性和可靠性.

摘要： 飞行器研制不断提升的风洞试验精度需求,促使着测力试验技术的不断改进.低温风洞的引入,对测力天平提出了新的挑战:需要在200K的风洞运行温度范围内,满足天平精度的需求.为此,国外数个团队自30多年前就开始了内式天平用于低温风洞方面的研究,并在NTF、ETW等低温风洞中得到了成功应用.本文介绍了国外主要研究机构的低温天平研制情况,从低温天平的设计与优化、天平材料的选取及热处理、天平的加工与制造、应变片的匹配、低温环境下的防潮处理、天平校准算法及设备、数据采集设备等方面,对低温天平关键技术进行了具体阐述.

摘要： 加速计惯性补偿是常用的应变天平气动力信号处理方法,在以往的激波风洞测力中发挥了重要作用.然而,该方法存在一些不可避免的问题.首先,加速计采集的是整体位移速率信号,但天平采集的是局部位移引起的应变信号,两者的表现可能并不一致.另外,加速计惯性补偿方法还存在相位差、所有分量补偿困难等问题.本文提出波系适配法,该方法分析天平信号本身,结合振动系统和流场环境,利用全局优化方法,将天平信号分解为气动力信号、振动信号和随机信号.长试验时间激波风洞JF-12的气动力试验数据分析结果表明,该方法能有效分离振动信号,获取所需的气动力信号.

摘要： 本发明公开了一种用于飞机起落架测力试验的六分量杆式应变天平，解决了飞机在着陆、滑跑等工况下起落架载荷精确测量问题。为采用高强度合金钢一体加工成型结构，包括测量端法兰、内轴、轴向力测量元件、壳体、固定端法兰和支撑片组；测量端法兰与内轴连接，固定端法兰与壳体连接，内轴和壳体通过支撑片组连接，构成一体结构；口型轴向力测量元件形成于内轴和壳体共同构成的上、下贯通方槽中，并通过布置在天平轴线上的铰链结构分别与内轴和壳体连接，最终形成天平整体。本发明天平结构紧凑，刚度高，可实现起落架六分量动态、静态载荷测量；彻底消除其他载荷分量对轴向力的测量干扰，极大提高了载荷测量精度和使用稳定性；校准成本低，周期短。

摘要： 本发明公开一种基于DOE和响应面模型的六分力应变天平公式的系数标定，包括如下步骤：步骤一、采用实验设计方法生成样本点，根据样本点在六个分力方向进行加载，并同时采集六个分力方向上对应于加载量的输出电压信号值增量；步骤二、采用近似模型标定一次干扰系数和二次干扰系数：步骤三、通过天平校准公式导出系数矩阵。本发明还公开了一种基于DOE和响应面模型的六分力应变天平公式的计算方法，采用所述的基于DOE和响应面模型的六分力应变天平公式的系数标定方法获得系数矩阵，并得到六分力应变天平的六分力：F＝A‑1Δn；式中，A‑1为系数矩阵的逆矩阵，Δn为输出电压信号增量矩阵，F为六分力矩阵。本发明求解速度快、精度高。

摘要： 本申请公开了用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。解决了现有技术中缺失适用于温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正方法的不足。本申请能够在应变计、温度传感器的粘贴和组桥满足相关要求的基础上，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，并对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正，从而达到温度分布不均工况下对应变天平的灵敏度温度效应进行修正的目的，有效增加了应变天平的温度适用范围，保证了测力风洞试验气动力数据测试的精确度。

摘要： 本发明属于传感器性能测试标定领域，具体涉及一种五分量应变天平测试装置和方法。包括上标定支架，标定连接件，天平元件，侧标定支架和天平固定支架；天平元件通过天平固定支架一端通过天平固定支架固定并使天平元件处于水平状态，天平元件的另一端连接有标定连接件，标定连接件主体呈圆环，圆环外周设有两个呈90°分布的L形杆，两个L形杆的水平部分设有两个用于加载载荷的通孔，测量时，标定连接件的一个L形杆位于正下方，另一个L形杆侧向设置。本发明结构简单，通过玻璃丝、标定支架、标定连接件对应变天平加载负荷，提高了各分量的精度，又保证了整体的可靠性。

摘要： 本申请公开了一种降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，属于航空航天风洞试验气动力测试技术领域。解决了现有技术中缺失在应变天平研制阶段从根源上降低或消除温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应影响量的方法的不足。本申请通过应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出，优化配置了适用的热膨胀系数材料；合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成惠斯登电桥；优选低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数，实现了精确补偿，提升了补偿工作效率，零点温度效应影响量小于0.02µV/V/°C。

摘要： 本发明涉及实验空气动力学领域，具体涉及一种用于应变天平的连接件、温控系统及温控方法。连接件由低热导率材料制成，连接件包括第一连接部和第二连接部。第一连接部用于与空气桥连接；第二连接部用于与应变天平连接。温控系统采用了上述连接件。其能够有效地提高应变天平的测量精度，同时加强空气桥与应变天平之间的配合效果，使应变天平能够更加精确地执行检测工作，保障实验结果的精确度。

摘要： 本发明公开的一种十字交叉结构的挠性件及应变天平，属于多分量测试领域。本发明公开的一种十字交叉结构的挠性件，主要由定位台阶、连接法兰、相互垂直的十字交叉梁和过渡圆柱组成。所述十字交叉梁由至少一组相互垂直的板组成。所述相互垂直的板的方向与两个相互垂直的力方向一致。所述板的厚度在在保证称重的前提下，越薄解耦效果越好。应用于一种基于十字交叉结构的挠性件的应变天平，所述应变天平由多只单分量传感器组成，通过上下对称的十字交叉梁，在保证挠性件具有足够刚度的前提下提升挠性件弹性，实现应变天平的自解耦功能，减小应变天平的各个分力和各个扭矩之间的耦合，显著提高应变天平的测量准确度。

摘要： 本申请公开了用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。解决了现有技术中缺失适用于温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正方法的不足。本申请能够在应变计、温度传感器的粘贴和组桥满足相关要求的基础上，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，并对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正，从而达到温度分布不均工况下对应变天平的灵敏度温度效应进行修正的目的，有效增加了应变天平的温度适用范围，保证了测力风洞试验气动力数据测试的精确度。

摘要： 本申请公开了一种降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，属于航空航天风洞试验气动力测试技术领域。解决了现有技术中缺失在应变天平研制阶段从根源上降低或消除温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应影响量的方法的不足。本申请通过应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出，优化配置了适用的热膨胀系数材料；合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成惠斯登电桥；优选低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数，实现了精确补偿，提升了补偿工作效率，零点温度效应影响量小于0.02µV/V/°C。

摘要： 本发明公开了一种用于喷流试验的六分量环式应变天平及使用方法，包括：模型端，其上设置有调平平台；轴向测力元件，其整体加工在所述模型端的后端，所述轴向测力元件的后端整体加工有连接段，所述连接段的后端整体加工有五分量测量元件，所述五分量测量元件的后端整体加工有固定端。本发明采用轴向测力元件与其他五分量测量元件串联的布局方式，在保证六分量环式应变天平有足够刚度的前提下，确保了各分量的测量灵敏度，整体结构较为简单，便于加工。