本发明专利技术提供一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统及方法，通过多台天平耦合，联合校准、综合解算模型在脉冲风洞试验过程中所受到的气动力载荷，提出了对支架进行减重的设计思路，在保证支架刚度变化较小的前提下，大幅度减轻支架的重量；提出了新的天平联合解耦组桥方式，实现测力系统的一体化校准，联合解耦，应用于试验模型载荷测量；解决了大尺度、重载模型的一体化气动性能评估难题，为未来更大尺度模型脉冲风洞测力技术提供了支撑。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于脉冲风洞测力，尤其是一种脉冲风洞重载模型分布式耦合测力系统及校准方法、测力方法。
技术介绍
1、脉冲风洞具备开展大尺度、重载模型试验的能力，这种风洞有效冲击载荷大，有效试验时间短，约300ms，短时模型测力技术是试验过程中的关键技术之一。现有试验模型尺度一般 较小，采用单台盒式应变天平测力进行载荷测量。由于脉冲风洞试验模型一般较重，可达1t，为了提高测力系统的响应频率，多采用背部或者腹部支撑方案，该方案可以保证天平具有较高刚度，减小模型支撑机构悬臂长度，提高测力系统响应频率。
2、脉冲风洞测力系统主要由试验模型、测力天平、支架3部分组成，在以往测力系统的设计中，各部分可以解耦，分别进行设计，测力天平一般为简支梁形式，不存在过约束情况，可以单独进行校准，然后将校准后的天平公式应用于风洞试验结果，即可获得模型在试验过程中的气动力载荷。
3、随着脉冲风洞试验技术的发展，模型尺度变得更大，风洞试验测力难度变得更大。本专利技术中所谓的重型试验模型尺度较大，质量可达数吨，传统的单天平测力方法已面临诸多不足，主要有以下2点：①试验模型前后悬臂过长，柔性大幅度增加，模型刚体假设已难以保证；②测力系统响应频率随着模型尺度的增加大幅度下降，在有效试验时间内难以获得足够多振动的周期数。③为了解决更大尺度脉冲风洞模型测力难题，本专利技术提出了一种脉冲风洞重载模型分布式耦合测力系统设计方法，下面针对该方法进行但更大尺度的模型也可参考本方法进行测力系统设计。
技术实现思路
>1、鉴于以上所述现有技术的不足，本专利技术的目的在于进一步发展脉冲风洞测力技术，为解决大尺度、重型试验模型脉冲风洞一体化气动性能评估提供一种可行方案。2、为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
3、一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上； 两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件10连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架6连接在一起；每一台天平通过模型支架3固定连接在风洞地基4上，每台天平包括固定框14、固定框14上方的浮动框13，固定框14与浮动框13之间的天平浮动框与固定框连接件19，以及三者之间的天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16、法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17、轴向力fx测量元件18，浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6固定连接，相邻天平的浮动框13通过模型框架模拟件10或模型框架6连接成整体，所有浮动框13和模型框架模拟件10或模型框架6的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17和轴向力fx测量元件18上，加载后天平测量元件变形导致应变计电阻发生变化，然后通过惠斯通电桥输出电压信号；
4、模型框架模拟件10或模型框架6带动浮动框一起振动，模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13、固定框14的刚度远大于天平测量元件和天平支撑元件的刚度，从而使测量元件受力后较模型框架模拟件10或模型框架6、浮动框13和固定框14更易振动而产生变形，模型框架模拟件10或模型框架6使其左右两侧的浮动框13在y向的变形振动规律一致，从而使模型框架模拟件10或模型框架6左右两侧的天平测量元件输出的电压信号一致；天平测量元件包括法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17和轴向力fx测量元件18 ，天平支撑元件包括天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16；
5、校准时，x方向模型框架模拟件10的左右两侧各有一个加载头12，加载头12固定连接在模型框架模拟件10上，校准砝码11的一端连接在模型框架模拟件10的加载头12上，另一端通过一个滑轮换向后悬垂，校准砝码11施加的拉力经过模型框架模拟件10传导至左右两台天平的浮动框；模型框架模拟件10左右两侧的天平输出电压信号，再将两个电压信号叠加，获得输入载荷和输出电压的载荷计算公式，从而完成校准；
6、天平浮动框与固定框连接件19位于浮动框13沿x方向的两侧，天平法向支撑元件16、轴向力fx测量元件18位于固定框14、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且轴向力fx测量元件18位于天平法向支撑元件16中间，天平轴向支撑元件15、法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17位于浮动框13、和天平浮动框与固定框连接件19中间，且法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17位于天平轴向支撑元件15中间。
7、作为优选方式，法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17、轴向力fx测量元件18采用“t”型梁或“i”型梁；天平轴向支撑元件15、天平法向支撑元件16为“i”型梁。
8、作为优选方式，校准模式包括三种：
9、（1）一个加载位置进行轴向力fx校准：即模型框架模拟件10的一侧设置一个加载头12，一个校准砝码11施加沿x方向的作用力于加载头12上，得到第一台测力天平的轴向力fx测量元件18的电压输出x1、第二台测力天平的轴向力fx测量元件18的电压输出x2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平轴向力fx输出信号x，从而进行轴向力fx校准；
10、（2）四个加载位置进行法向力fy校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量相同，得到第一台测力天平的法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17的电压输出y1、第二台测力天平的法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17的电压输出y2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平法向力fy输出信号y，从而进行法向力fy校准；
11、（3）四个加载位置进行俯仰力矩mz校准：即模型框架模拟件10沿x方向的左右两侧分别设置一个加载头12，每侧加载头12沿z方向的前、后两侧分别设置重量相同的前、后校准砝码11，前、后校准砝码11分别施加沿z方向的作用力于加载头12上，模型框架模拟件10左侧的校准砝码11总重量和右侧的校准砝码11总重量不同，得到第一台测力天平的法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17的电压输出mz1，第二台测力天平的法向力fy和俯仰力矩mz测量元件17的电压输出mz2，多台天平耦合测力时以此类推，多台天平输出信号绝对值相加综合得到测力天平俯仰力矩输出信号mz，从而进行俯仰力矩mz校准。
12、作为优选方式，（1）当校准系统为3分量测力系统时，测量轴向力、法向力和俯仰力矩，前3阶固有频率对应的振动模态为脉冲风洞模型、天平浮动框的整体振动；
13、当校准本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上；两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件（10）连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架（6）连接在一起；每一台天平通过模型支架（3）固定连接在风洞地基（4）上，每台天平包括固定框（14）、固定框（14）上方的浮动框（13），固定框（14）与浮动框（13）之间的天平浮动框与固定框连接件（19），以及三者之间的天平轴向支撑元件（15）、天平法向支撑元件（16）、法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）、轴向力Fx测量元件（18），浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）固定连接，相邻天平的浮动框（13）通过模型框架模拟件（10）或模型框架（6）连接成整体，所有浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力Fy和俯仰力矩Mz测量元件（17）和轴向力Fx测量元件（18）上，加载后天平测量元件变形导致应变计电阻发生变化，然后通过惠斯通电桥输出电压信号；
2.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：在模型支架上设置减重槽。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：模型框架模拟件（10）和浮动框通过螺钉固定连接。
7.一种分布式耦合测力系统的一体化校准方法，使用权利要求1至6任意一项所述的测力系统，其特征在于：
8.一种分布式耦合测力方法，使用权利要求1至6任意一项所述的分布式耦合测力系统，其特征在于：通过多台天平耦合，联合解算模型在试验过程中所受到的气动力载荷。
9.根据权利要求8所述的一种分布式耦合测力方法，其特征在于：对于分布式耦合测力系统，通过天平组桥方式，获得测力天平输出信号惠斯通电路，通过测力系统的整体式校准，获得测力天平公式应用于试验载荷测量；
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【技术特征摘要】
1.一种脉冲风洞大尺度重载模型分布式耦合测力系统，其特征在于：定义：x方向为风洞来流方向，y方向为耦合测力系统竖直向上方向，z方向垂直于x和y方向；大尺度是指脉冲风洞模型长度为10米以上，重载是指脉冲风洞模型的重量为5吨以上；两台以上的天平联合耦合测力，联合校准时相邻测力天平通过模型框架模拟件（10）连接在一起，通过联合校准，获得测力天平的校准公式，然后将校准公式应用于脉冲风洞重载模型测力试验，试验过程中测力天平通过模型框架（6）连接在一起；每一台天平通过模型支架（3）固定连接在风洞地基（4）上，每台天平包括固定框（14）、固定框（14）上方的浮动框（13），固定框（14）与浮动框（13）之间的天平浮动框与固定框连接件（19），以及三者之间的天平轴向支撑元件（15）、天平法向支撑元件（16）、法向力fy和俯仰力矩mz测量元件（17）、轴向力fx测量元件（18），浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）固定连接，相邻天平的浮动框（13）通过模型框架模拟件（10）或模型框架（6）连接成整体，所有浮动框（13）和模型框架模拟件（10）或模型框架（6）的连接面在同一个水平面且平行于xoz平面，测力天平应变计设置在法向力fy和俯仰力矩mz测量元件（17）和轴向力fx测量元件（18）上，加载后天...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕金洲，张小庆，袁仕果，李正洲，武龙，王琪，张俊韬，刘建霞，丁智坚，贺元元，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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