本發(fā)明涉及試驗空氣動力學(xué)測量，尤其是涉及一種用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平及其使用方法。
背景技術(shù)：
1、天平是風(fēng)洞氣動力測量試驗的核心裝置，其性能一定程度上決定了風(fēng)洞試驗的測力精準(zhǔn)度水平。當(dāng)前，基于結(jié)構(gòu)形變測量的應(yīng)變天平技術(shù)由于其技術(shù)成熟度高，研發(fā)、維護(hù)成本低，已廣泛應(yīng)用于各類測力試驗當(dāng)中。
2、然而，隨著飛行器外形的多樣化及對風(fēng)洞試驗?zāi)芰π枨笤絹碓礁?，?yīng)變天平測量性能的提升已觸及其原理性瓶頸。主要體現(xiàn)在兩個方面：1）應(yīng)變/變形比矛盾，即剛度/靈敏度矛盾，應(yīng)變天平設(shè)計的核心之一是匹配或調(diào)和高分辨要求下的大變形與大變形導(dǎo)致的剛度低、測量干擾大的矛盾問題，現(xiàn)有技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計方法制約下，應(yīng)變天平分辨率提升已趨于極限；2）多維力傳遞路徑最小化耦合測量，即天平各分量的解耦測量問題，應(yīng)變天平設(shè)計的另一核心問題是使得單一分量的應(yīng)變變化只對該對應(yīng)載荷敏感，而對其他分量載荷不敏感，然而，隨著被測各分量載荷比例的極端化，可精確解耦不同力載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的設(shè)計方法也已觸及天花板。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平及其使用方法，以解決應(yīng)變天平分辨率提升和最小化耦合測量的原理性瓶頸問題。
2、根據(jù)本發(fā)明的一個目的，本發(fā)明提供用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，包括天平外殼、內(nèi)軸、軸向測量組件、第一位移測量組件、第二位移測量組件、縱向測量組件、側(cè)向測量組件和滾轉(zhuǎn)測量組件；所述天平外殼包括前錐、殼體和擋環(huán)，所述天平外殼前端用于安裝飛行器模型；所述內(nèi)軸伸入天平外殼內(nèi)部，所述內(nèi)軸的后端用于連接風(fēng)洞攻角機(jī)構(gòu)；
3、所述軸向測量組件分別安裝于所述內(nèi)軸和所述天平外殼上，用于飛行器模型軸向力測量；
4、所述第一位移測量組件和所述第二位移測量組件沿軸向關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述內(nèi)軸和所述天平外殼上，用于天平外殼與內(nèi)軸的相對位移測量；
5、所述縱向測量組件包含四組相同的組件，分別安裝于所述內(nèi)軸和所述天平外殼上，關(guān)于設(shè)計中心對稱，用于飛行器模型縱向力和力矩測量；
6、所述側(cè)向測量組件包含四組相同的組件，分別安裝于所述內(nèi)軸和所述天平外殼上，關(guān)于設(shè)計中心對稱，用于飛行器模型側(cè)向力和力矩測量；
7、所述滾轉(zhuǎn)測量組件包含兩組相同的組件，分別安裝于所述內(nèi)軸和所述天平外殼上，關(guān)于設(shè)計中心對稱，用于飛行器模型滾轉(zhuǎn)力矩測量。
8、進(jìn)一步地，還包括外殼端蓋、鎖緊螺母、第一隔磁環(huán)、第二隔磁環(huán)、第三隔磁環(huán)、第四隔磁環(huán)和內(nèi)軸端蓋，所述外殼端蓋、所述鎖緊螺母、所述第一隔磁環(huán)、所述第二隔磁環(huán)、所述第三隔磁環(huán)、所述第四隔磁環(huán)和所述內(nèi)軸端蓋分別用于各測量組件與所述內(nèi)軸和所述外殼之間的軸向定位和緊固及隔磁。
9、進(jìn)一步地，所述軸向測量組件包括第一軸向電磁鐵、第二軸向電磁鐵和阻力盤；所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的旋成體，所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵沿軸向面對面安裝于所述內(nèi)軸上，所述阻力盤位于所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵之間，插入所述天平外殼并安裝于所述天平外殼上；所述阻力盤由八片結(jié)構(gòu)相同的扇形盤組成，等間隔角度插入所述殼體和所述擋環(huán)，并安裝于所述殼體和所述擋環(huán)上。
10、進(jìn)一步地，所述縱向測量組件包括第一縱向電磁鐵、第二縱向電磁鐵、第三縱向電磁鐵、第四縱向電磁鐵、第一疊片組和第二疊片組；所述第一縱向電磁鐵、所述第二縱向電磁鐵、所述第三縱向電磁鐵、所述第四縱向電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的旋成體，且表面為弧形結(jié)構(gòu)，分別關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述內(nèi)軸的左上、左下、右上和右下位置，所述第一疊片組和所述第二疊片組為環(huán)形結(jié)構(gòu)，關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述天平外殼上。
11、進(jìn)一步地，所述側(cè)向測量組件包括第一側(cè)向電磁鐵、第二側(cè)向電磁鐵、第三側(cè)向電磁鐵、第四側(cè)向電磁鐵、第一疊片組和第二疊片組；所述第一側(cè)向電磁鐵、所述第二側(cè)向電磁鐵、所述第三側(cè)向電磁鐵、所述第四側(cè)向電磁鐵分別關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于內(nèi)軸的左前、左后、右前和右后位置。
12、進(jìn)一步地，所述滾轉(zhuǎn)測量組件包括第一滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第二滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第一周向力盤、第三滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第四滾轉(zhuǎn)電磁鐵和第二周向力盤；所述第一滾轉(zhuǎn)電磁鐵、所述第二滾轉(zhuǎn)電磁鐵、所述第三滾轉(zhuǎn)電磁鐵和所述第四滾轉(zhuǎn)電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的矩形結(jié)構(gòu)，兩兩一組面對面沿天平周向組裝，關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述內(nèi)軸的上、下兩側(cè)，所述第一周向力盤和所述第二周向力盤分別位于兩組電磁鐵之間，插入所述天平外殼并安裝于所述天平外殼上。
13、進(jìn)一步地，所述第一位移測量組件包括內(nèi)軸疊片和外殼疊片，所述內(nèi)軸疊片安裝于所述內(nèi)軸上，所述外殼疊片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，嵌套于所述天平外殼上；所述內(nèi)軸疊片含有分別位于上、下、前、后的四組觸角，所述內(nèi)軸疊片上有繞組。
14、進(jìn)一步地，所述第二位移測量組件與所述第一位移測量組件具有相同的組成和結(jié)構(gòu)。
15、進(jìn)一步地，所述軸向測量組件、所述縱向測量組件、所述側(cè)向測量組件和所述滾轉(zhuǎn)測量組件的各雙凹型電磁鐵的凹槽內(nèi)均設(shè)置有繞組。
16、根據(jù)本發(fā)明的另一個目的，本發(fā)明提供上述用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平的使用方法，包括如下步驟：
17、風(fēng)洞試驗時，內(nèi)軸后端安裝于風(fēng)洞攻角機(jī)構(gòu)上，天平外殼的前錐上安裝有飛行器模型，分別向各測量組件內(nèi)通電并控制天平外殼懸浮于內(nèi)軸之上；
18、受載后，位移測量組件測得天平外殼相對于內(nèi)軸的各自由度位移變化，改變各測量組件內(nèi)電流大小使位移變化回零，從而依據(jù)電流差反算獲得飛行器模型所受氣動載荷。
19、本發(fā)明的技術(shù)方案采用旋成體結(jié)構(gòu)，通過天平外殼安裝飛行器模型、內(nèi)軸連接風(fēng)洞攻角機(jī)構(gòu)，結(jié)合多組對稱分布的測量組件，可實現(xiàn)飛行器模型軸向力、縱向力和力矩、側(cè)向力和力矩、滾轉(zhuǎn)力矩及相對位移的測量。其結(jié)構(gòu)設(shè)計能保障各分量測量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，為風(fēng)洞測力試驗提供可靠的氣動載荷數(shù)據(jù)支持，滿足試驗對多維度力與力矩測量的需求。
1.一種用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，包括天平外殼、內(nèi)軸、軸向測量組件、第一位移測量組件、第二位移測量組件、縱向測量組件、側(cè)向測量組件和滾轉(zhuǎn)測量組件；所述天平外殼包括前錐、殼體和擋環(huán)，所述天平外殼前端用于安裝飛行器模型；所述內(nèi)軸伸入天平外殼內(nèi)部，所述內(nèi)軸的后端用于連接風(fēng)洞攻角機(jī)構(gòu)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，還包括外殼端蓋、鎖緊螺母、第一隔磁環(huán)、第二隔磁環(huán)、第三隔磁環(huán)、第四隔磁環(huán)和內(nèi)軸端蓋，所述外殼端蓋、所述鎖緊螺母、所述第一隔磁環(huán)、所述第二隔磁環(huán)、所述第三隔磁環(huán)、所述第四隔磁環(huán)和所述內(nèi)軸端蓋分別用于各測量組件與所述內(nèi)軸和所述外殼之間的軸向定位和緊固及隔磁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述軸向測量組件包括第一軸向電磁鐵、第二軸向電磁鐵和阻力盤；所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的旋成體，所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵沿軸向面對面安裝于所述內(nèi)軸上，所述阻力盤位于所述第一軸向電磁鐵和所述第二軸向電磁鐵之間，插入所述天平外殼并安裝于所述天平外殼上；所述阻力盤由八片結(jié)構(gòu)相同的扇形盤組成，等間隔角度插入所述殼體和所述擋環(huán)，并安裝于所述殼體和所述擋環(huán)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述縱向測量組件包括第一縱向電磁鐵、第二縱向電磁鐵、第三縱向電磁鐵、第四縱向電磁鐵、第一疊片組和第二疊片組；所述第一縱向電磁鐵、所述第二縱向電磁鐵、所述第三縱向電磁鐵、所述第四縱向電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的旋成體，且表面為弧形結(jié)構(gòu)，分別關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述內(nèi)軸的左上、左下、右上和右下位置，所述第一疊片組和所述第二疊片組為環(huán)形結(jié)構(gòu)，關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述天平外殼上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述側(cè)向測量組件包括第一側(cè)向電磁鐵、第二側(cè)向電磁鐵、第三側(cè)向電磁鐵、第四側(cè)向電磁鐵、第一疊片組和第二疊片組；所述第一側(cè)向電磁鐵、所述第二側(cè)向電磁鐵、所述第三側(cè)向電磁鐵、所述第四側(cè)向電磁鐵分別關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于內(nèi)軸的左前、左后、右前和右后位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述滾轉(zhuǎn)測量組件包括第一滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第二滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第一周向力盤、第三滾轉(zhuǎn)電磁鐵、第四滾轉(zhuǎn)電磁鐵和第二周向力盤；所述第一滾轉(zhuǎn)電磁鐵、所述第二滾轉(zhuǎn)電磁鐵、所述第三滾轉(zhuǎn)電磁鐵和所述第四滾轉(zhuǎn)電磁鐵具有相同結(jié)構(gòu)，為一截面為雙凹型的矩形結(jié)構(gòu)，兩兩一組面對面沿天平周向組裝，關(guān)于設(shè)計中心對稱安裝于所述內(nèi)軸的上、下兩側(cè)，所述第一周向力盤和所述第二周向力盤分別位于兩組電磁鐵之間，插入所述天平外殼并安裝于所述天平外殼上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述第一位移測量組件包括內(nèi)軸疊片和外殼疊片，所述內(nèi)軸疊片安裝于所述內(nèi)軸上，所述外殼疊片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，嵌套于所述天平外殼上；所述內(nèi)軸疊片含有分別位于上、下、前、后的四組觸角，所述內(nèi)軸疊片上有繞組。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述第二位移測量組件與所述第一位移測量組件具有相同的組成和結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平，其特征在于，所述軸向測量組件、所述縱向測量組件、所述側(cè)向測量組件和所述滾轉(zhuǎn)測量組件的各雙凹型電磁鐵的凹槽內(nèi)均設(shè)置有繞組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一所述的用于風(fēng)洞測力試驗的內(nèi)式電磁天平的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：