一种共心交叉轴铰链天平及测量方法与流程

本发明涉及一种共心交叉轴铰链天平及测量方法，属于空气动力学风洞试验。

背景技术：

1、风洞试验使用天平测量作用在缩比模型上的空气动力载荷。由于天平在校准与风洞中安装状态、环境变量不一致，因此需要在风洞环境中进行精确加载，通过标准载荷比对修正天平灵敏度，获得相应的安装角以及两心距，将天平校准坐标系精确转换到试验模型坐标系中，从而实现风洞试验中天平的精确测量。

2、天平的精确加载是前提。在天平加载的过程中，必须精确获知施加力的大小、方向以及作用点，方能保证加载的准确性。力的大小一般通过计量过的砝码、力传感器保证，相对来说易于实现。而要保证力的方向及作用点的准确性则需要设计精巧的机构及方法，方能保证力矢量的加载精度。

3、现有技术中，通常采用球形铰链、顶尖、刀口以及杆式十字铰链等形式进行天平加载。球形铰链为标准球头轴承，其主要问题是摩擦的存在使得不同载荷下被加载天平回零性差，同时小载荷下加载精度低，无法在高精度加载场合下使用；顶尖一般是由锥尖倒圆角很小的顶尖-顶窝副构成，主要问题是无法在大载荷下使用，同时顶尖极易磨损，影响加载精度；刀口由刀劈-刃口副组成，其主要问题是小载荷下加载误差大，同时转动角度行程有限，转动角度行程一般在1°以内，否则容易拖刃；杆式十字铰链是在杆长方向设置多组纵横向薄片，主要问题是转心不同能保持一致、转动范围有限，转动范围一般在0.5°以内，当加载力线与弹性铰链轴线不重合时，很容易造成铰链的损坏，限制了弹性铰链的使用，此外，上述方案均不具备角度自测量功能，无法进行加载的自修正。

4、因此，亟需提出一种共心交叉轴铰链天平及测量方法，以解决上述技术问题，提高天平载荷加载准确性。

技术实现思路

1、本发明研发目的是为了解决在保证力的方向与作用点条件下，天平可实现精确加载的问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、方案一、一种共心交叉轴铰链天平，中间段上下两侧端部分别设置有模型端和加载端，上共心片梁组和下共心片梁组分别布置于中间段的上下两侧，所述上共心片梁组与下共心片梁组空间上呈90°角交叉布置，同时保证上共心片梁组的弯曲中心与下共心片梁组的弯曲中心重合，重合处设为公共弯曲中心，所述上共心片梁组和下共心片梁组均包括多根片梁，上共心片梁组和下共心片梁组上的多根片梁呈半辐射状对称分布，每根片梁的轴线均通过公共弯曲中心。

4、优选的：所述模型端上加工有上中心定位孔以及上螺纹孔。

5、优选的：所述加载端上加工有下中心定位孔以及下螺纹孔。

6、优选的：所述上共心片梁组和下共心片梁组均安装有电阻应变计，电阻应变计设置在每根片梁根部，通过多个电阻应变计组成惠斯通电桥，进而间接测量角度改变量。

7、方案二、一种共心交叉轴铰链天平测量方法，是依托于方案一所述的一种共心交叉轴铰链天平实现的，包括以下步骤：

8、步骤一、首先标定出铰链天平电桥输出与变形角度之间的关系式，铰链天平电桥即惠斯通电桥，变形角度即角度改变量，如下：

9、；

10、；

11、其中，、分别为上共心片梁组的角度以及下共心片梁组的角度，单位°；、是相对于基准零点状态下铰链天平初读数的电压变化量，单位mv/v；、、、、、、、为系数，通过校准获得；

12、步骤二、选择缩比模型指定加载连接位置，通过两个螺钉以及一个定位销将模型端连接到缩比模型上，调平缩比模型，记录铰链天平读数、；

13、步骤三、在加载端通过两个螺钉以及一个定位销连接力源，记录铰链天平读数、；

14、步骤四、计算电压值相对变化量，如下：

15、；

16、；

17、步骤五、通过迭代计算 、；

18、步骤六、通过、对力的加载方向进行修正，变换矩阵如下：

19、；

20、步骤七、计算施加在缩比模型上的加载载荷，如下：

21、；

22、其中，f为加载力矢量，g为施加的力矢量。

23、本发明具有以下有益效果：

24、1.本发明的上共心片梁组和下共心片梁组采用半辐射状共心片梁组结构，保证了铰链转心的高精度恒定性，同时加载变形角度范围宽；

25、2.本发明上共心片梁组和下共心片梁组具备纵横向双自由度，纵横向弯曲中心重合，从而实现了加载过程中力的作用点的不变性；

26、3.本发明通过在多片梁上布置应变电桥，即惠斯通电桥，使得其具备角度自测量功能，从而实现了加载过程中力的方向实施修正；

27、4.本发明采用的电阻应变计粘贴在片梁根部，基于了应变式测量原理，实现了无纵横向轴交角影响的空间角度测量。

技术特征：

1.一种共心交叉轴铰链天平，其特征在于：包括模型端（1）、上共心片梁组（2）、中间段（3）、下共心片梁组（4）和加载端（5），中间段（3）上下两侧端部分别设置有模型端（1）和加载端（5），上共心片梁组（2）和下共心片梁组（4）分别布置于中间段（3）的上下两侧，所述上共心片梁组（2）与下共心片梁组（4）空间上呈90°角交叉布置，同时保证上共心片梁组（2）的弯曲中心与下共心片梁组（4）的弯曲中心重合，重合处设为公共弯曲中心（11），所述上共心片梁组（2）和下共心片梁组（4）均包括多根片梁，上共心片梁组（2）和下共心片梁组（4）上的多根片梁呈半辐射状对称分布，每根片梁的轴线均通过公共弯曲中心（11）。

2.根据权利要求1所述的一种共心交叉轴铰链天平，其特征在于：所述模型端（1）上加工有上中心定位孔（6）以及上螺纹孔（7）。

3.根据权利要求2所述的一种共心交叉轴铰链天平，其特征在于：所述加载端（5）上加工有下中心定位孔（8）以及下螺纹孔（9）。

4.根据权利要求3所述的一种共心交叉轴铰链天平，其特征在于：所述上共心片梁组（2）和下共心片梁组（4）均安装有电阻应变计（10），电阻应变计（10）设置在每根片梁根部，通过多个电阻应变计（10）组成惠斯通电桥，进而间接测量角度改变量。

5.一种共心交叉轴铰链天平测量方法，是依托于权利要求4所述的一种共心交叉轴铰链天平实现的，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结一种共心交叉轴铰链天平及测量方法，属于空气动力学风洞试验技术领域。本发明包括模型端、上共心片梁组、中间段、下共心片梁组和加载端，上共心片梁组通过中间段与下共心片梁组建立连接，上共心片梁组顶部设置有模型端，下共心片梁组底部设置有加载端。研发目的是为了解决在保证力的方向与作用点条件下，天平可实现精确加载的问题，保证了铰链天平具有足够的角度变形，将片梁组呈半辐射状分布，提高了径向刚度，同时保持转心的高精度恒定性，进而保证了力的作用点的准确性，具备角度自测量功能，从而实现了加载过程中力的方向实施修正，从而保证了力的方向准确性，本发明对于风洞试验或天平校准中提高载荷加载准确性具有重要意义。技术研发人员：刘博宇,张平,白云龙,徐明,王碧玲受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/20