风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，属于空气动力学技术领域。解决的是传统弹性角校准方法存在的方法误差问题、系统误差问题、复合变形弹性角无法准确测量问题、弹性角公式模型简单造成修正精度低问题。包括支杆、天平、高刚度加载装置、目标板、靶座和激光跟踪仪，天平前后端设置高刚度加载装置、支杆，高刚度加载装置前端设置目标板，激光跟踪仪布置在高刚度加载装置前方，靶座分别安装在目标板和高刚度加载装置上。以二次多项式代替现有弹性角修正公式的线性模型，采用单矢量加载方式，实现风洞现场中天平体轴系下的真实弹性角校准，消除传统弹性角校准方法中存在的方法误差和系统误差，有效提高非线性变形的弹性角修正精度。弹性角修正精度。弹性角修正精度。

【技术实现步骤摘要】
风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法


[0001]本专利技术涉及风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，属于空气动力学


技术介绍

[0002]风洞试验时，天平及支撑系统在气动载荷作用下会产生弹性变形，产生线位移及角位移，其中角位移即为模型
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天平
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支撑系统的弹性角，包含俯仰弹性角、侧滑弹性角以及滚转弹性角。弹性角的存在导致风洞试验模型的名义姿态角发生改变，当将天平测得的气动力按照名义姿态角转换到气流坐标系上时，会使得模型气动力系数计算产生误差，而此误差在一些条件下可以占到总的气动力系数误差的25%，因此必须进行弹性角修正。
[0003]风洞天平弹性角校准可以采用离线校准和在线校准两种方式。为了减少风洞试验占洞时间，一般在地面进行弹性角校准——离线校准，离线校准是将天平及支撑系统安装在地面设备上，采用地轴系不复位校准或体轴系复位校准，采用专门的加载设备，一次一个分量的单元校准弹性角，由于支撑差异，一般不能完全模拟风洞支撑状态，因此通过校准获得的弹性角修正系数存在潜在系统误差。在线校准方法是在风洞现场进行弹性角校准，校准方式与离线校准方法基本一致，在线校准方法真实复现了天平
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支撑系统及风洞支架的刚度，弹性角准度得到提高。
[0004]当前，国内外风洞试验单位弹性角校准普遍采用单分量地轴系校准方法，建立的是地轴系下的名义载荷与角度变化的关系，而非天平真实载荷和角度变化的关系，每次校准获得一个分量的弹性角修正系数，为了实现单分量精确加载，需要研制专用的加载装置及力传递装置，一般以标准砝码或力发生器如电动缸、液压缸为力源。通常采用代数方法求取弹性角修正系数，以Y分量为例，弹性角修正系数求取公式如下：式中，为弹性角修正系数；为名义加载载荷，对于砝码加载来说，指的是砝码标称质量；为初始状态姿态角；为加载状态姿态角。
[0005]通过5组加载获得5个对应分量的弹性角修正系数，最后通过组合形成俯仰弹性角、偏航弹性角以及滚转弹性角三项弹性角修正公式：式中，Y、Z为对天平各方向加载的名义力分量，Mz、My、Mx为对天平各方向加载的名
义力矩分量；、、、、为各分量在各角度方向上的弹性角修正系数；Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量。
[0006]公开号为CN108760227A、CN112362293A的专利技术专利申请均公开了高精度水泡及加速度计测量角度，以砝码标称加载值作为天平载荷，按照上述计算方法最终计算弹性角修正公式，其在测量精度上还有待加强，同时仅限于单分量的弹性角校准，当同时存在俯仰角度及滚转角度复合工况，上述专利技术专利申请中提供的方法存在的误差是不可忽视的。
[0007]综上，当前单分量地轴系校准方法存在如下问题：1、砝码或力发生器标称载荷与对应变形下的天平实际受载存在差异，即地轴系载荷与体轴系载荷存在差异，进而导致方法误差；2、采用离线弹性角校准不能真实模拟风洞支撑的刚度，进而导致系统误差；3、对于非等直支撑如Z
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Sting支撑，施加单分量侧向力时天平及支撑的变形为复合变形，当前角度测量手段（无论是采用位移测量再转换获得的角度或是直接使用角度传感器进行角度测量）无法获取真实的弹性角，当前的做法是忽略轴交角影响，因此存在方法误差；4、当天平
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支杆系统存在非线性特征时如接触刚度弱时，上述线性形式的弹性角修正公式模型过于简单，不能真正表征变形关系，进而使得弹性角修正精度降低。
[0008]因此，亟需提出风洞天平体轴系弹性角在线校准装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术解决的是传统弹性角校准方法存在的方法误差问题、系统误差问题、复合变形弹性角无法准确测量问题以及弹性角公式模型简单造成的修正精度低问题，从而实现任意支杆形式弹性角精确校准。在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。
[0010]本专利技术的技术方案：风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，包括支杆、天平、高刚度加载装置、目标板、靶座和激光跟踪仪，天平的后端设置有支杆，天平的前端与高刚度加载装置连接，高刚度加载装置的前端设置有目标板，激光跟踪仪布置在高刚度加载装置前方，若干靶座分别安装在目标板和高刚度加载装置上。
[0011]优选的：高刚度加载装置为中空结构，天平设置在高刚度加载装置内，天平与高刚度加载装置同轴设置。
[0012]优选的：目标板为T型。
[0013]优选的：所述靶座共计4个，靶座中心为靶点，靶座的靶点分别定义为P1、P2、P3、P4，P1、P2、P3、P4呈空间分布，即P1、P2、P3、P4不共面。
[0014]风洞天平体轴系弹性角在线校准方法，采用风洞天平体轴系弹性角在线校准装置实现，包括以下步骤：
步骤一、在基准状态下使用激光跟踪仪建立坐标系Oxyz，Oxyz坐标轴与高刚度加载装置理论轴系重合；步骤二、对高刚度加载装置施加单矢量载荷，在载荷的作用下天平、支杆发生弹性变形进而使与天平刚性固接的高刚度加载装置姿态发生变化，使用激光跟踪仪测量靶座中心的靶点P1、P2、P3、P4坐标值并计算出当前姿态相对于基准坐标系Oxyz的角度变化量Δα、Δβ、Δγ，此时对应记录天平相对于基准状态的体轴载荷X、Y、Z、Mx、My、Mz；步骤三、更换不同的加载点以及加载方向，重复步骤二，确保天平各个载荷测量分量都得到有效加载；步骤四、考虑任意支杆形式，弹性角修正公式的数学模型如下：（1）（2）（3）式中，X、Y、Z为天平测得的真实体轴系力分量，Mx、My、Mz为天平测得的真实体轴系力矩分量；、
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为待定系数；Δα、Δβ、Δγ分别为各个角度方向上产生的弹性角增量；以Δα、Δβ、Δγ为因变量，X、Y、Z、Mx、My、Mz为自变量，带入各组弹性角/体轴载荷数据并联立方程，通过多元拟合方法分别求出弹性角修正模型中的36项待定系数，该方程为超越方程，不相关加载组数应不少于欲求系数数量。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术以真实的天平测值作为载荷变量，通过坐标测量方式确定相对于基准坐标系的姿态角作为弹性角，实现了风洞现场中天平体轴系下的真实弹性角校准，消除了传统弹性角校准方法中存在的方法误差和系统误差。
[0016]2、本专利技术以二次多项式代替现有弹性角修正公式的线性模型，可以更加真实地表征变形行为，有效提高非线性变形的弹性角修正精度；3、本专利技术采用单矢量加载方式代替单元加载方式，弹性角校准不受加载载荷矢量变化限制，提高了弹性角校准效率，更加适合风洞现场弹性角校准。
附图说明
[0017]图1是风洞天平体轴系弹性角在线校准装置示意图；图2是风洞天平体轴系弹性角在线校准装置立体图；图中：1
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支杆，2
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天平，3
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，其特征在于：包括支杆（1）、天平（2）、高刚度加载装置（3）、目标板（4）、靶座（5）和激光跟踪仪（6），天平（2）的后端设置有支杆（1），天平（2）的前端与高刚度加载装置（3）连接，高刚度加载装置（3）的前端设置有目标板（4），激光跟踪仪（6）布置在高刚度加载装置前方，若干靶座（5）分别安装在目标板（4）和高刚度加载装置（3）上。2.根据权利要求1所述的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，其特征在于：高刚度加载装置（3）为中空结构，天平（2）设置在高刚度加载装置（3）内，天平（2）与高刚度加载装置（3）同轴设置。3.根据权利要求2所述的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，其特征在于：目标板（4）为T型。4.根据权利要求3所述的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置，其特征在于：所述靶座（5）共计4个，靶座（5）中心为靶点，靶座（5）的靶点分别定义为P1、P2、P3、P4，P1、P2、P3、P4呈空间分布，即P1、P2、P3、P4不共面。5.风洞天平体轴系弹性角在线校准方法，其特征在于：采用权利要求1
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4任一项所述的风洞天平体轴系弹性角在线校准装置实现，校准方法包括以下步骤：步骤一、在基准状...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博宇，李小刚，王碧玲，张刃，张平，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：