УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ И МОМЕНТА Российский патент 2006 года по МПК G01M9/06 G01G3/12 

Изобретение относится к области аэромеханических измерений, в частности к измерению составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов в потоке аэродинамической трубы.

Область применения - экспериментальная аэродинамика.

Зависимости составляющих векторов аэродинамической силы и момента от скорости потока, углового положения модели и других режимов испытаний являются основными аэродинамическими характеристиками летательного аппарата.

Количественное определение аэродинамических характеристик составляет цель испытаний моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.

Известно устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента - механические аэродинамические весы, состоящие из жесткой рамы (расположенной за границами потока аэродинамической трубы) и связанных между собой рычажных систем, удерживающих ее в положении равновесия; выходные звенья рычажных механизмов соединены с динамометрами (См. энциклопедия Авиация, научное издательство "Большая Российская энциклопедия", Москва, 1994 г., стр.82. - Аэродинамические характеристики).

Рама представляет собой конструкцию, охватывающую со всех сторон поток аэродинамической трубы, направленный перпендикулярно плоскости рамы.

Модель устанавливается внутри рамы при помощи растяжек, представляющих собой металлические ленты с профилированным поперечным сечением, ориентированным вдоль потока. Составляющие аэродинамической силы и момента, действующие на испытываемую модель и ленты, передаются на раму и измеряются при помощи динамометров.

Основным недостатком известного решения является низкая точность измерений, особенно такой важной характеристики летательного аппарата, как коэффициент лобового сопротивления современных пассажирских самолетов, который имеет величину, близкую или даже меньшую, коэффициента сопротивления лент.

Поэтому для получения результата необходимо из измеренной характеристики вычесть коэффициент сопротивления лент.

Коэффициент сопротивления лент определяется в "пустой" аэродинамической трубе при отсутствии модели на тех же, что и с моделью, режимах испытаний, что приводит к большим материальным затратам.

Кроме того, речь идет о разности двух близких физических величин, полученных в разных опытах, что приводит к снижению точности измерений.

Наиболее близким является устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента - весы тензометрические аэродинамические, состоящие из упругого тела, динамометрических элементов и тензорезисторов, преобразующих деформации чувствительных элементов в электрические сигналы. Динамометрические элементы выполнены вместе с телом и ориентированы так, чтобы деформация элемента, вызванная соответствующей составляющей аэродинамической силы или момента, была максимальной.

Весы располагаются внутри испытываемой модели и представляют собой консоль, на одном конце которой жестко закреплена модель, а свободный конец соединен с опорой, являющейся стержневой державкой, идущей к механизму изменения углового положения модели (См. энциклопедия Авиация, научное издательство "Большая Российская энциклопедия", Москва, 1994 г., стр.134 - Весы аэродинамические, стр.224 - Измерения аэродинамические. Левицкий Н.П., Постнов А.И. и др. Измерение аэродинамических сил и моментов при помощи тензометрических весов. Измерительная техника №11, 1979 г.).

Отличительной особенностью известного решения является консольное крепление модели и установка весов на одной опоре, благодаря чему на весы не действуют внутренние силы, возникающие в модели, державке и других элементах конструкции. Весы находятся исключительно под воздействием аэродинамических нагрузок, приложенных к модели.

Основным недостатком известного решения является наличие державки в донном срезе модели. Часто требуемый по условиям прочности диаметр державки оказывается больше диаметра донного среза. В этом случае прибегают к искусственному увеличению геометрических размеров хвостовой части модели, заведомо искажая ее геометрию, что снижает точность определения аэродинамических характеристик модели.

Другим источником погрешности является увеличение давления в донной области модели из-за наличия державки.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат выражается в возможности измерять составляющие аэродинамической силы и момента, действующие на модель, оставаясь нечувствительными к аэродинамическим силам, действующим на ленты, поддерживающие модель, и к паразитной осевой силе, действующей между лентами, тем самым исключается влияние на результаты измерений степени натяжения лент и действующих на них аэродинамических сил.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, содержащем многокомпонентные тензометрические весы, жестко соединенные с испытываемой моделью, опору, тензометрические весы закреплены на опорах, расположенных внутри модели и выполненных в виде натянутых носовой и хвостовых лент, содержат динамометрические элементы для измерения реакций опор, по которым рассчитываются величины нормальной силы Y, боковой силы Z, момента крена М_X, момента тангажа M_Z, момента рыскания М_Y и динамометрический элемент для измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы, выполненной в виде подвижной платформы, к которой крепится испытываемая модель, соединенная с неподвижным основанием при помощи упругих шарниров и чувствительных элементов, точки сопряжения чувствительных элементов Х с платформой и основанием расположены на одной плоскости, являющейся перпендикулярной плоскостью симметрии динамометрического элемента.

Для более подробного пояснения предлагаемого устройства рассмотрим схему установки весов внутри модели, их конструкцию и уравнения измерения, связывающие составляющие векторов аэродинамической силы и момента с выходными сигналами весов.

На фиг. 1 показана схема установки весов внутри модели с опорами на носовую и хвостовую ленты;

На фиг. 2 - схематизированная конструкция устройства;

На фиг. 3 - схема нагружения устройства силой Y и моментом M_Z;

На фиг. 4 показана эпюра изгибающих моментов и перерезывающих сил от действия силы Y;

На фиг. 5 - эпюра изгибающих моментов и перерезывающих сил от действия момента M_Z;

На фиг. 6 - суммарная эпюра изгибающих моментов и перерезывающих сил от одновременного действия силы Y и момента M_Z;

На фиг. 7 показано конструктивное исполнение динамометрических элементов, измеряющих реакции в опорах;

На фиг. 8 - расположение тензорезисторов и схема их соединения в измерительный мост.

Весы 1 через оси втулок 2 и 3 шарнирно соединены с носовой 4 и хвостовой 5 лентами. Весы снабжены двумя трехкомпонентными динамометрическими элементами (ДЭ) 6 и 7 для измерения составляющих Y, Z - силы. M_Y, M_Z, M_X - момента и ДЭ 8 для измерения продольной составляющей Х - силы.

ДЭ 8 состоит из жесткого неподвижного основания 9 и жесткой подвижной платформы 10. Основание и платформа соединены между собой, как правило, четырьмя пакетами плоских упругих шарниров 11. На чертеже каждый пакет состоит из 4-х шарниров. Две стойки 12 являются чувствительным элементом, преобразующим составляющую Х силы в электрический сигнал. Испытываемая модель 13 при помощи болтов 14 крепится к платформе 10. Начало связанной с моделью прямоугольной системы координат с осями X, Y, Z расположено в точке НК (начало координат), лежащей на оси Х весов.

Точка НК находится на расстоянии l₁ и l₂ от осей шарниров 2 и 3 носовой и хвостовой лент соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Трехкомпонентный ДЭ 6 измеряет две силы реакции R_1Y, R_1Z в шарнире 2, направленные вдоль осей Y и Z, соответственно, и реактивный момент M_1X вокруг оси X. Аналогично ДЭ 7 измеряет силы реакции R_2Y и R_2Z - в шарнире 3 и реактивный момент М_2X вокруг оси X.

По результатам измерений указанных величин определяются пять составляющих векторов аэродинамической силы и момента в связанной с моделью системе координат:

Y=R_1Y+R_2Y; Z=R_1Z+R_2Z; M_Z=R_1Yl₁-R_2Yl₂; М_Y=R_1Zl₁-R_2Zl₂; М_X=М_1X+М_2X

Составляющая вдоль оси Х (продольная аэродинамическая сила) измеряется, как отмечалось ранее, ДЭ 8.

Сила Х прикладывается к подвижной платформе 10 и через упругие шарниры 11 передается к чувствительным элементам 12.

Деформации чувствительных элементов измеряются при помощи тензорезисторов, наклеенных на чувствительные элементы и включенных в тензометрический мост.

В данной схеме на весы, кроме измеряемых составляющих силы и момента, действует паразитная внутренняя осевая сила, направленная вдоль оси X. Основным источником паразитной осевой силы является реакция R₁ в шарнире 2 носовой ленты. Последняя раскладывается на две составляющих: R_1x - действующую вдоль оси Х весов и R_1t - действующую вдоль ленты.

Коэффициент жесткости весов в осевом направлении во много раз больше коэффициента жесткости ленты вдоль оси X. По этой причине паразитная осевая сила R_1x практически вся приложена к весам.

ДЭ 6 и 7 имеют нулевую чувствительность в направлении оси Х весов и не реагируют на осевую силу.

В известном решении весы, как отмечалось ранее, крепятся на одной опоре, и паразитная осевая сила отсутствует.

При креплении их на двух опорах весы будут в полной мере чувствовать паразитную осевую силу, так как она физически совпадает с измеряемой составляющей X.

В предлагаемом решении ДЭ 8 выполнен таким образом, что он чувствует только составляющую Х аэродинамической силы и не реагирует на паразитную осевую силу R_1x.

Последнее достигается тем, что ДЭ 8 снабжен жесткой подвижной платформой 10, к которой крепится испытываемая модель 13.

Платформа при помощи плоских упругих шарниров 11 соединена с основанием 9. Между платформой и основанием расположены чувствительные элементы 12, деформации которых измеряются.

Точки 0-0 сопряжения чувствительных элементов с платформой и основанием расположены на одной плоскости, являющейся перпендикулярной плоскостью симметрии динамометрического элемента 8.

Под действием паразитной осевой силы R_1X основание 9 из-за большого поперечного сечения испытывает незначительные деформации. При этом в силу симметрии конструкции точки 0-0 продолжают оставаться на одной линии, и сигнальных деформаций чувствительных элементов не происходит.

Действие измеряемой составляющей Х вызывает смещение точки 0, расположенной на подвижной платформе вправо. В результате линия 0-0, а с ней и чувствительные элементы принимают S-образную форму и на плоских гранях элементов появляются сигнальные деформации.

Важным вопросом является чувствительность весов к температуре, особенно к температурным градиентам.

Температурные градиенты вызывают неравномерные температурные деформации элементов конструкции, и, как следствие, температурные напряжения.

В данном случае потенциально наиболее уязвимым к действию градиентов является ДЭ 8, к которому крепится испытываемая модель.

При изменении температуры газового потока температура модели изменяется, и на участке между болтами крепления модели возникают температурные напряжения, которые в виде усилий передаются на подвижную платформу.

В силу симметрии конструкции ДЭ 8 деформация платформы, так же, как и действие паразитной осевой силы, не вызывает сигнальных деформаций чувствительных элементов.

Таким образом, предлагаемая конструкция ДЭ 8 является нечувствительной к паразитной осевой силе и температурной деформации модели.

Для более полного пояснения существа предлагаемого решения ниже рассматривается пример трехкомпонентного устройства для измерения продольной X, нормальной Y и составляющих вектора аэродинамической силы и составляющей M_Z (момент тангажа).

Заметим, что для ленточной подвески модели подобное устройство является основным. Если используется стоечный вариант крепления модели, измеряются все шесть составляющих векторов аэродинамической силы и момента.

На фиг. 2 показана схематизированная конструкция трехкомпонентного устройства.

Как видно из фиг. 2, в средней части тензовесов располагается элемент L_X для измерения составляющей X. На некотором расстоянии от этого элемента с двух его сторон находятся два динамометрических элемента длиной L, предназначенных для измерения нормальной Y составляющей вектора аэродинамической силы и составляющей M_Z вектора момента (момент тангажа). Легко видеть, что тензовесы представляют собой балку с шарнирно закрепленными концами (фиг. 3). Поперечное сечение балки имеет вертикальную ось симметрии, приложенные нагрузки действуют в вертикальной плоскости симметрии, и изгиб балки происходит в этой же плоскости.

Построим эпюру изгибающих моментов и перерезывающих сил при действии силы Y, для чего определим реакции в опоре ив опоре .

Соответствующие реакции равны:

Эпюра изгибающих моментов и перерезывающих сил от действия силы Y изображена на фиг. 4. Как следует из фиг. 4, изгибающий момент от реакции на плече l₁ равен изгибающему моменту от реакции на плече l₂ в точке приложения силы Y. При нагружении балки моментом M_Z в опорах возникнут равные по величине и противоположные по направлению реакции

Эпюра изгибающих моментов и перерезывающих сил от действия момента M_Z изображена на фиг 5.

Суммарная эпюра изгибающих моментов от действия силы Y и момента M_Z изображена на фиг. 6.

Как видно из фиг. 6, в опоре А действует суммарная реакция , равная разности реакций от действий силы Y и момента M_Z.

В опоре Б суммарная реакция равна сумме реакций от действия силы Y и момента M_Z.

Сумма реакций в опорах равна действующей силе Y.

Разность изгибающих моментов и равна измеряемому моменту M_Z. Действительно:

Реакции и , служащие для определения Y и M_Z, измеряются динамометрическими элементами 1, 2 (фиг. 2), поперечные оси которых проходят через сечения I-I и II-II (фиг. 6). Как следует из эпюр фигуры 6, в сечении I-I действует перерезывающая сила и изгибающий момент , а в сечении II-II - сила и изгибающий момент .

Оба динамометрических элемента имеют одинаковую конструкцию, поперечное сечение которой показано на фиг. 7. Конструкция состоит из двух расположенных горизонтально балок а и вытянутой вдоль вертикальной оси балки b. Собственно балка b является чувствительным элементом. Действие перерезывающей силы Q вызывает в балке касательные напряжения, которые при помощи тензорезисторов, наклеенных на вертикальные грани балки, преобразуются в электрический сигнал. Балки а служат для защиты чувствительного элемента от действия изгибающих моментов M_I и М_II. Угловая жесткость балок а вокруг оси Z значительно выше соответствующей жесткости балки b, и изгибающие моменты воспринимаются, в основном, балками а. Напротив, линейная жесткость балок а вдоль оси Y соизмерима с жесткостью балки b, и измеряемая сила Q в заданной пропорции подводится к чувствительному элементу b.

На фиг. 8 показано расположение тензорезисторов на вертикальных гранях балки b и схема включения тензорезисторов в измерительный мост.

На фиг. 8 показаны направления максимальной чувствительности тензорезисторов R₁, R₂ (R₃), (R₄). Тензорезисторы, заключенные в скобки, расположены на противоположной грани балки b.

Знак "плюс" на схеме обозначает положительное, "минус" - отрицательное приращение сопротивления тензорезисторов от силы Q, действующей в положительном направлении:

U_П - напряжение питания моста,

_ΔU - выходной сигнал моста, пропорциональный силе Q.

С целью получения размерных величин реакций и производится калибровка весов. Для этого весы при помощи болтов 14 (фиг. 1) крепятся к жесткому основанию так, чтобы ось весов заняла строго горизонтальное положение.

После чего через шарниры 2 и 3 осуществляется нагружение весов гирями с различным весом Q. По полученным данным строится зависимость _ΔU от Q и определяются коэффициенты наклона, которые используются в дальнейшем для определения реакций и по измеренным значениям _ΔU.

По известным реакциям вычисляются:

В выражении для M_Z входят расстояния l₁ и l₂. Последние определяются следующим образом. Измеряется базовое расстояние l между осями шарниров 2 и 3 фиг. 1, которое равно l=l₁+l₂.

Расстояние l₁ от оси шарнира 2 до точки НК - на оси весов (фиг. 1) задается заранее. Оно выбирается таким образом, чтобы точка НК совпадала с условным центром масс модели либо находилась в непосредственной близости от него. После изготовления весов точка НК наносится на весы в виде керна или риски.

В дальнейшем измерение моментов, действующих на модель, будет производиться относительно этой точки.

Итак, применение многокомпонентных тензометрических весов оригинальной конструкции, жестко соединенных с испытываемой моделью, которая в определенных точках крепится к весам, закрепленных на опорах, выполненных в виде натянутых носовой и хвостовой лент и расположенных внутри модели, позволяет измерять составляющие аэродинамической силы и момента, действующие на модель, оставаясь нечувствительными к аэродинамическим силам, действующим на поддерживающие модель ленты, и к паразитной осевой силе, действующей между лентами, тем самым исключается влияние на результаты измерений степени натяжения лент и действующих на них аэродинамических сил и, как следствие, позволяет повысить точность измерений.

Применение внутримодельных тензовесов позволит повысить экономическую эффективность из-за отсутствия необходимости определять коэффициенты сопротивления лент в "пустой" трубе при отсутствии модели на тех же, что и с моделью, режимах испытаний, а также точность определения аэродинамических характеристик модели.

Изобретение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, действующих на модели летательных аппаратов в потоке аэродинамической трубы. Устройство содержит многокомпонентные тензометрические весы, которые устанавливают внутри испытываемой модели на двух опорах. Опоры выполнены в виде натянутых носовой и хвостовых лент, и содержат динамометрические элементы для измерения реакций опор. Весы снабжены двумя трехкомпонентными динамометрическими элементами, которые расположены вдоль оси X, и измеряют реакции опор по осям Y и Z и реактивные моменты вокруг оси X, и динамометрический элемент для измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы. Последний состоит из жесткого неподвижного основания и жесткой подвижной платформы. Основание и платформа элемента соединены между собой при помощи упругих шарниров и чувствительных элементов. К подвижной платформе крепится испытываемая модель. Точки сопряжения чувствительных элементов с платформой и основанием расположены на одной плоскости, являющейся перпендикулярной плоскостью симметрии динамометрического элемента. Технический результат заключается в повышении точности измерений благодаря исключению влияния на результаты измерений степени натяжения лент и аэродинамических сил, действующих на них, а также сокращения объема необходимых испытаний. 8 ил.

Устройство для измерения составляющих векторов аэродинамической силы и момента, содержащее многокомпонентные тензометрические весы, жестко соединенные с испытываемой моделью, опору, отличающееся тем, что тензометрические весы закреплены на опорах, расположенных внутри модели и выполненных в виде натянутых носовой и хвостовых лент, содержат динамометрические элементы для измерения реакций опор, по которым рассчитываются величины подъемной силы Y, боковой силы Z, момента крена М_X, момента тангажа М_Z, момента рыскания M_Y и динамометрический элемент для измерения продольной составляющей Х вектора аэродинамической силы, выполненный в виде подвижной платформы, к которой крепится испытываемая модель, соединенная с неподвижным основанием при помощи упругих шарниров и чувствительных элементов, точки сопряжения чувствительных элементов Х с платформой и основанием расположены на одной плоскости, являющейся перпендикулярной плоскостью симметрии динамометрического элемента.