翼型测力天平的研制

　　0引言

　　由于阻力很小且载荷极不匹配，测力实验难度较大，故翼型风洞实验基本上采用测压实验的方法。但对翼型结冰状态的载荷变化规律进行研究时，由于测压点会被冰晶堵住，所以测量压力的方法根本就不能使用。而对翼型进行测力实验便成为了唯一的方法。翼型结冰实验的目的是测量翼型在逐渐结冰情况下的载荷变化情况。为满足该实验的要求就必须根据翼型载荷的特点设计一台应变天平。天平主要测量的气动力有翼型的升力、俯仰力矩、阻力。实验翼型为NACA0018，弦长300mm，展长300mm，实验风速15m/s，迎角范围-2°～12°。

　　1天平设计载荷的选取

　　根据翼型标准参数计算模型气动载荷，兼顾实验安全性及装配安全性选取天平的设计载荷，对升力将计算载荷增加10倍，俯仰力矩增加11倍，阻力增加26倍，设计载荷的选取如表1.

　　2　天平结构方案设计

　　支撑方式的选择直接决定测量载荷与天平体的位置关系，是确定天平结构的主要方面。考虑到翼型载荷较小，流场内部的支撑对测量的影响会比较大，故采用侧壁支撑。天平直径的选择也是设计的关键，综合考虑模型空间、天平元件尺寸、天平刚度等要求确定天平直径为φ18mm。同时根据天平的支撑方式与直径进行具体的结构设计。

　　2.1阻力测量结构

　　根据设计载荷的特点，阻力测量量值最小，必须独立进行测量。为获得必要的输出信号，测量元件必须较长，但需要保证整体的刚度并考虑其它测量载荷的干扰影响，故单一的阻力测量元件不能满足测量要求。所以设计时在天平体的前后两端各安排两个独立的阻力测量元件，元件由0.8mm 厚的6个片梁组成。测量时采用两个元件输出叠加的方法进行计算。

　　2.2　升力与俯仰力矩测量结构

　　由于阻力元件采用了两个独立元件进行测量已经增加了天平的长度，为不使天平的长度过长而影响整体的刚度，升力与俯仰力矩的测量元件部分就要尽量缩短，且要在同一个元件结构上完成两个分量的测量。设计中采用了四柱梁的结构。该结构的优点是对测量的两个分量敏感，且对非测量分量的抗干扰性好。

　　2.3天平结构图

　　天平结构见图1。

　　2.4　天平结构原理及计算方法

          阻力元件为片梁组合元件[1]，如图2。用片梁1测量阻力，计算时将阻力平移到测量元件的中心，转化后相应的力与力矩为F、M。在力F 的作用下，片梁1可简化为一个超静定梁。根据刚度分配的原理，可得片梁1所受的力Fb1为：