高马赫数风洞试验天平保护装置设计

冷菊丽

(中国航空工业空气动力研究院，辽宁 沈阳 110034)

高马赫数风洞试验天平保护装置设计

冷菊丽

(中国航空工业空气动力研究院，辽宁 沈阳 110034)

为了风洞试验天平在高马赫数试验中免受冲击载荷所产生的破坏，设计了一套全新的试验天平保护装置，该套装置安装与模型支杆内部，而不是安装于风洞上。采用改变受力形式的原理，将模型冲击载荷由单支点支撑改为双支点支撑。在保护装置设计中，采用传统丝杠传动与新式压电陶瓷驱动器相结合的方式，实现了轴向与法向两个方向的运动。新设计的机构具有尺寸小，承载能力大,定位精度高、成本低的特点。该套装置能够降低天平感受到的模型冲击载荷，减少天平所受应力，使天平免受破坏。

马赫数；风洞；冲击载荷；天平

风洞试验中，为了保证试验天平的测量精度，天平的设计载荷一般都是参考模型静态气动载荷来确定的〔1〕。而高马赫数风洞试验中，风洞起动与关车过程中，模型要受到冲击载荷，该载荷经常要比试验中模型受到的静态气动载荷大得多〔2〕。这就存在一个问题：风洞起动与关车过程中，模型感受到的冲击载荷经常超出了天平的许用载荷范围，易损坏天平的应变片，导致试验无法正常进行，更为严重的是天平容易产生结构性破坏，天平断裂，酿成事故〔3〕。

目前该问题的解决方法：在试验段中建设模型夹紧装置〔4〕。典型模型夹紧装置如图1所示。该类型装置具有共同的缺点：(1)成本高。保护平板置于风洞贮存内，具有大幅移动功能，通常要建设专门的风洞试验段，花费巨大；(2)只能降低模型的法向力冲击载荷，而无法降低轴向力冲击载荷。

本文介绍了一种全新的天平保护装置，既能降低法向冲击载荷对天平的冲击，还能降低轴向冲击载荷的冲击。就是说能够全方位降低天平感受到的模型冲击载荷，避免天平法向力和轴向力测量原件被破坏。该套装置的另一个特点是：装置安装于模型支杆里，而不是安装于风洞本体上，这样增加了使用灵活度，不限定于某一固定风洞，可以应用于同一类型风洞。

1 设计原理

风洞试验中，天平前端与模型相连接，从受力分析角度来看，属于单支点受力结构(如图2)。增加支点是最理想的方式，基于此考虑，设计一套支撑机构：安装与尾支杆内，风洞正常吹风过程中，该机构与模型没有接触，风洞起动与关车过程中，该机构起动，进行一定的运动，机构与模型内腔相接触，限制模型接触点在法向和轴向方向运动。这样，从受力结构上分析，就从单支点约束变成了双支点约束(如图3)。显然改变了受力结构后，支撑系统具有如下优点：(1)由于模型法向力而产生的天平截面上的弯曲应力明显降低。(2)模型轴向力由天平和支撑机构共同承担，降低了天平轴向力测量元件感受到的轴向应力。(3)模型、天平、支杆系统的刚度增强，自振频率提高。

风洞试验中，天平破坏源主要就是：法向力冲击载荷、轴向力冲击载荷和振动。设计的机构正好是针对三个破坏源，能够解决问题，合理保护天平。

图1 典型模型夹紧装置

图2 天平与模型连接形式

图3 天平与模型双支点连接形式

2 机构设计

2.1 设计要求

空气动力研究院的主力生产风洞为FL60风洞，该风洞应用的高马赫数天平主要是直径为45毫米的天平。本文中的保护装置就是基于45毫米天平的使用工况进行设计的。天平外形尺寸和设计载荷如图4和表1所示。风洞试验中的冲击载荷如图5所示。可以看出，法向力和轴向力冲击载荷都超出了天平的设计载荷。

图4 试验天平外形图

法向力轴向力侧向力俯仰力矩偏航力矩滚转力矩1500牛900牛6000牛600牛．米300牛．米250牛．米

图5 风洞试验冲击载荷测量结果

2.2 设计难点

由于模型所受冲击载荷大，模型支杆空间小，保护装置在设计上存在如下难点：

1)空间有限。支杆直径为45毫米，模型内腔只有60毫米。狭小空间内，机构要承担几千牛的力。

2)定位高精度。对天平阻力测量元件来说，最大弹性变形量不超过0.2毫米，机构要限制住天平不发生0.2毫米的变形。

3)机构刚性要强。机构在固定住天平的过程中，机构自身的弹性变形要小，否则，机构本身的弹性变形量就会将把机构的锁紧功能消除。

2.3 结构设计

针对机构存在的技术难点，采用传统的电机或液压驱动方式无法满足使用要求。文中采用压电陶瓷驱动器作为保护机构的驱动部件。压电陶瓷是一种新的工业材料，在电压的作用下材料本身会产生一定的伸缩量。压电陶瓷作动器是利用了压电陶瓷这种性质，作动器能够伸缩变形。该作动器的特点是：刚性强，输出载荷大，控制精度高。如图6所示。

压电陶瓷驱动器安装与尾支杆腔内，应用了两个压电陶瓷驱动器，分别与两个固定架相连。压电陶瓷驱动器上端或下端与固定架固连，另一端为自由端，在通电状态下，自由端可以上下伸缩。上下两个自由端分别与一个承压片相固连，自由端伸长时，承压片与模型承压环紧密接触，支撑住模型，起到保护作用。

压电陶瓷驱动器固定架上端面(或下端面)通过导向槽与模型支杆内腔相配合，导向槽只允许固定架沿支杆轴向运动。固定架前端与前丝杠相连，后端分别与丝母块相连。丝母块与后丝杠相配合，后丝杠通过联轴器与电机减速器相连。电机旋转，通过丝杠推动压电陶瓷作动器在轴向前后运动，压电陶瓷作动器在自身输入电压作用下上下伸缩，这样，就实现了压电陶瓷作动器两个方向上的运动。

由于保护机构只是在风洞起动与关车阶段与模型相接触，在正常吹风过程中要与模型完全脱离，又因为支杆和天平在气动载荷作用下要发生弹性变形，正常吹风过程中要保证压电陶瓷驱动器收缩后不与模型相碰，仅仅依靠压电陶瓷本身的变形量是不够的。为了解决此问题，采用了丝杠、丝母机构。同样，如果没有压电陶瓷作动器，仅仅采用丝杠驱动承压片前进与模型承压环相互顶死，也是行不通的，这是因为丝母的轴向力是由丝杠自锁力来承担的，天平阻力元件是微变形，只有0.2毫米，靠丝杠自锁是无法保证此精度的。该机构的创新之处就在于：将传统机构与新材料机构结合应用。

图6 保护装置结构设计图

整个机构的工作过程是这样的：正常安装状态，压电陶瓷作动器处于模型后端，风洞起动前，丝杆旋转带动压电陶瓷作动器前进，直至承压片与模型压环相接触。压电陶瓷起动、伸长，直至在压环的限制下顶死为止。风洞起动后，压电陶瓷收缩，同时丝杠反向旋转，驱动器后撤，与模型内腔的距离增大，确保不能相碰。试验数据采集完成后，丝杆又开始正向旋转，压电作动器再起动，又一次保护住天平在风洞关车过程中免受冲击载荷的破坏。

图7 保护装置工作流程图

2.4 关键点评估

受力结构分析

模拟实验工况，模型受法向力12000牛，轴向力1200牛，对由于保护装置两种工况对天平的受力情况进行分析。采用Ansys进行有限元分析。图 8和图9 给出计算结果。可以看出采用保护装置后，天平所受应力大幅降低。

图8 天平与模型单支点受力分析

图9 天平与模型双支点受力分析

压电陶瓷采用法国CEDRAFT THCHNOLOGIES公司的APA型号产品。该驱动器具有负载能力强、定位精度高的特点。该驱动器在法向方向上提供的最大力能达到600牛，此力能为天平减少的负载能达到为360牛·米。而天平在俯仰力矩设计载荷为600牛·米，可见能够大幅降低天平的应力，能够满足使用工况。

图10 压电陶瓷驱动器

3 调试实验

选用典型导弹模型安装于该天平保护装置，在风洞外进行了模拟试验。试验主要验证了两方面的功能：(1)机构能否快速起动，能否迅速支撑住模型和能否迅速撤离。(2)机构是否达到了设计要求的承载能力。

调试实验表明，机构具备了快速起动的能力，从发出起动指令到完全支撑住模型，整个时间不超过2秒。在保护装置支撑住模型状态下，对模型施加载荷发向力达到了 20000牛，轴向力达到了2000牛，天平测量到的法向力没有超出13000牛，轴向力没有超出800牛。由此可见，该套装置很好地保护住了天平。

4 结论

新设计的天平保护装置，能够降低试验天平所感受到的模型冲击载荷，实现了在模型所受冲击载荷大于天平设计载荷的工况下进行风洞试验的目的。通过本套装置的设计，得到了以下结论：

1)采用全新的思路，在模型支杆上安装天平保护装置的设计思想是切实可行的。

2)采用新式的压电陶瓷驱动器，在保护装置上的应用是成功的。

3)该套装置能够很好地应用于直径45毫米模型支杆内，能够应用于1.2米量级风洞试验中，可以承担绝大部分飞机模型试验。

〔1〕贺德馨.风洞天平〔M〕.北京：国防工业出版社，2001.

〔2〕恽起麟.试验空气动力学〔M〕.北京: 国防工业出版社, 1991.

〔3〕恽起麟.风洞试验〔M〕.北京: 国防工业出版社, 2000.

〔4〕王铁城. 空气动力学实验技术〔M〕.北京：国防工业出版社，1986.

Design of a testing balance protector in high- Mach number wind tunnel

LENG Ju-li

(AerodynamicResearchInstitute,Shenyang10034)

In order to protect the wind-tunnel balance from being damaged by shock loads, a set of new test balance protecting apparatus is developed. This apparatus is installed onto the model sting instead of the wind tunnel ceilings. The principle is to transform the loading structures, from the one single supporter to dual supporter. In the procedure of mechanical designing, the traditional glide screw and up-to-data pizeo actuator are combined and the motions in axial and normal direction are achieved. The new developed apparatus has the features of low size, high -loads carrying, high precision of positioning and low cost. The apparatus has the capacity of decreasing the shock loads applied onto the balance and avoid the balance from being damaged.

Mach number; Wind tunnel; Bhock loads; Balance

10.3969/j.issn.1008-3723.2017.01.006

(j)cnki 1008-3723 2017.01.006

2017-01-28

冷菊丽(1969-)，女，辽宁庄河人，中国航空工业空气动力研究所工程师.

O133

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