专利名称：浮框式轴向力应变天平的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轴向力应变天平，特别是一种用于脉冲风洞的浮框式轴向力应变 天平，属于空气动力测量装置技术领域。
背景技术：
风洞试验是飞行器外形设计中最重要的研究手段，要在风洞试验过程中取得高精 度的气动力数据必须要有高精度的气动力测量天平。对于一般的飞行器来说，轴向力(X分 量)是个小量，是气动力测量中最难测量的一个分量。应变天平设计中，为了提高测量轴向 力的输出信号，要降低轴向力元件的刚度；为减少其它分量对轴向力测量的干扰，要求轴向 力元件在其它非测量载荷作用下有较大的刚度。传统的轴向力天平元件采用压变形方式， 造成满量程应变小，其它气动力分量对轴向力的干扰变形大于轴向力元件的主应变，天平 静校时其它分量对轴向力的干扰系数大，天平的静校精度和测量精度很难提高。特别是脉 冲风洞运行时间短，风洞启动时的冲击载荷引起模型、天平及支撑系统振动，振动信号叠加 到测量信号中，天平设计时为了提高自振频率以减小振动信号输出，天平元件的刚度都设 计的非常高，这样一来所要测量的气动力信号输出随之减小，使得天平的满量程应变往往 只有几十个微应变，甚至只有十几个微应变，此时如果采用普通应变片作为敏感元件，只能 产生不到1毫伏的信号输出，给信号的高精度采集带来很大困难。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种既保证了天平有足够 的刚性和抗干扰性，又提高了轴向力的应变输出的浮框式轴向力应变天平。本发明的技术解决方案是浮框式轴向力应变天平，为整体结构，由圆柱体整体切 割而成，圆柱体轴向切割形成4个柱梁和中间梁，4个柱梁围绕圆柱体的中心轴在圆周上均 勻分布，中间梁位于圆柱体的中心位置，为中空形结构，中间梁左端不长于柱梁左端，在4 个柱梁的右端保留环状的连接环与中间梁连接成一整体，4个柱梁的左端保留与中心轴垂 直的支撑片梁和中间梁左端连接成一整体，4个柱梁的中部保留4根与中心轴垂直的弹性 片梁和中间梁的中部连接成一整体，形成上下左右对称的浮框式结构，弹性片梁上粘贴电 阻应变片。所述的柱梁垂直于轴向的横截面为一边为圆弧、另三边为直角边的异四边形结 构。所述的中间梁垂直于轴向的横截面为中心为圆孔的方形。所述的每个柱梁上保留1根或1根以上的支撑片梁。所述的连接环为1个或1个以上。所述的支撑片梁和弹性片梁垂直于轴向的横截面为方形。所述的连接环沿轴向加工4个截面为直角三角形的通孔，直角三角形的通孔在垂 直于轴向的截面内对称分布，直角三角形的孔的直角顶点与中间梁方形截面的顶点重合，
3直角三角形的孔的其他顶点与柱梁的直角顶点重合。本发明与现有技术相比有益效果为(1)本发明采用弯曲变形，及四周支撑的方式，用一个连接环把四个支撑梁连接 起来，形成上下、左右都对称的浮框式结构，以提高元件抵抗法向(Y)和侧向(Z)振动的能 力；(2)本发明弹性片梁一端在中间梁，另一端与柱梁连接，当天平受轴向力作用时， 中间梁与柱梁沿轴向相对运动，带动弹性片梁发生弯曲变形，提高了轴向力的应变输出；(3)本发明采用连接环把四根柱梁连接到一起，加强支撑片梁的刚度，形成了在垂 直于中线上下左右都对称的浮框式结构，这样不仅加强了刚度，还使天平振动特性单一，大 大加强了抗干扰能力；(4)本发明的连接环上加工特殊形状和尺寸的直角三角形的通孔，使在线切割弹 性片梁时能一次成型，加工方便；(5)本发明在脉冲风洞测力试验中轴向力测量结果输出大，自身抗干扰能力强，并 且不会给其它测量元件带来附加的振动干扰。整体刚度大，自振频率高，便于通过滤波消除 脉冲风洞启动时冲击载荷造成的振动信号。


图1为本发明剖视图；图2为本发明局部剖视图；图3为图2B-B方向的剖视图；图4为图2C-C方向的剖视图；
图5为图2D-D方向的剖视图；图6为图2E-E方向的剖视图；图7为图2F-F方向的剖视图。
具体实施例方式以下结合附图详细介绍本发明，本发明如图1、2所示，为整体结构，由圆柱体整体 线切割而成。如图3所示，圆柱体轴向切割形成4个柱梁2和中间梁5，4个柱梁2围绕圆柱体 的中心轴在圆周上均勻分布，柱梁2垂直于轴向的横截面为一边为圆弧、另三边为直角边 的异四边形结构。中间梁5位于圆柱体的中心位置，为中空形结构，由于柱梁2最左端与支 杆固定，因此中间梁5左端不能长于柱梁2左端，中间梁5垂直于轴向的横截面为中心为圆 孔的方形，中间梁5的左端与柱梁2连接，右端与模型固连。如图4所示，在线切割时保留若干层与中心轴垂直的支撑片梁1，支撑片梁1在垂 直于轴向的横截面为方形。每一层支撑片梁1为四个，每一个支撑片梁1 一端与4个柱梁2 的左端连接，另一端与中间梁5左端连接，使4个柱梁2的左端与中间梁5左端成一整体， 即每个柱梁2上保留1根或1根以上的支撑片梁1与中间梁5左端连接。在图1、2中本发 明加工了两层的支撑片梁1，支撑片梁的数量可以根据其所要分担的轴向力灵活设定。如图5所示，在线切割时保留4根与中心轴垂直的弹性片梁3，弹性片梁3垂直于轴向的横截面为方形。每一根弹性片梁3的一端与柱梁2的中部连接，另一端与中间梁5 的中部连接，使4个柱梁2的中部与中间梁5中部成一整体，即每个柱梁2上保留1根弹性 片梁3与中间梁5中部连接。在弹性片梁3上粘贴电阻应变片，组成电桥，将应变大小线性 转换为电信号，测量电桥的输出信号就可以标定天平所受到的轴向力的大小。当天平受轴 向力作用时，中间梁5与柱梁2沿轴向相对运动，带动弹性片梁3发生弯曲变形，变原有天 平的压变形为弯曲变形，提高了轴向力的应变输出。如图6所示，在线切割时保留若干个环状的连接环4。连接环4位于4个柱梁2的 右端与中间梁5连接成一整体。连接环4把四根柱梁2连接到一起，加强支撑片梁1的刚 度，形成了在垂直于中线上下左右都对称的浮框式结构，这样不仅加强了刚度，还使天平振 动特性单一，大大加强了抗干扰能力。连接环4为1个或1个以上，连接环的数量可以根据 所要分担的轴向力灵活设定。测量用弹性片梁3与支撑片梁1和连接环4按刚度比例分担轴向力，弹性片梁3、 支撑片梁1和连接环4具体的厚度、宽度、厚度以及支撑片梁1和连接环4数量的设定为材 料力学计算的公知技术，根据实际设计指标来决定。如图7所示，连接环4沿轴向加工4个截面为直角三角形ABC的通孔41，直角三角 形的通孔41在垂直于轴向的截面内对称分布，直角三角形的通孔41的直角顶点A与中间 梁5方形截面的顶点重合，直角三角形的通孔41的其他顶点与柱梁2的直角顶点重合(图 7中的4个直角三角形的通孔41各顶点的连线形成了 4个柱梁2和中间梁5)，如此设计使 在线切割弹性片梁时能一次成型，加工方便。本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.浮框式轴向力应变天平，其特征在于为整体结构，由圆柱体整体切割而成，圆柱体 轴向切割形成4个柱梁⑵和中间梁(5)，4个柱梁⑵围绕圆柱体的中心轴在圆周上均勻 分布，中间梁(5)位于圆柱体的中心位置，为中空形结构，中间梁(5)左端不长于柱梁(2) 左端，在4个柱梁O)的右端保留环状的连接环(4)与中间梁( 连接成一整体，4个柱梁 (2)的左端保留与中心轴垂直的支撑片梁(1)和中间梁( 左端连接成一整体，4个柱梁 (2)的中部保留4根与中心轴垂直的弹性片梁C3)和中间梁( 的中部连接成一整体，形成 上下左右对称的浮框式结构，弹性片梁(3)上粘贴电阻应变片。
2.根据权利要求1所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的柱梁( 垂直 于轴向的横截面为一边为圆弧、另三边为直角边的异四边形结构。
3.根据权利要求1所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的中间梁(5)垂 直于轴向的横截面为中心为圆孔的方形。
4.根据权利要求1所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的每个柱梁(2) 上保留1根或1根以上的支撑片梁(1)。
5.根据权利要求1所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的连接环(4)为1 个或1个以上。
6.根据权利要求1所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的支撑片梁(1) 和弹性片梁C3)垂直于轴向的横截面为方形。
7.根据权利要求1或5所述的浮框式轴向力应变天平，其特征在于所述的连接环(4) 沿轴向加工4个截面为直角三角形的通孔(41)，直角三角形的通孔在垂直于轴向的截 面内对称分布，直角三角形的孔Gl)的直角顶点与中间梁(5)方形截面的顶点重合，直角 三角形的孔Gl)的其他顶点与柱梁O)的直角顶点重合。
全文摘要
浮框式轴向力应变天平，为整体结构，由圆柱体整体切割而成，圆柱体轴向切割形成4个柱梁和中间梁，4个柱梁围绕圆柱体的中心轴在圆周上均匀分布，中间梁位于圆柱体的中心位置，为中空形结构，中间梁左端不长于柱梁左端，在4个柱梁的右端保留环状的连接环与中间梁连接成一整体，4个柱梁的左端保留与中心轴垂直的支撑片梁和中间梁左端连接成一整体，4个柱梁的中部保留4根与中心轴垂直的弹性片梁和中间梁的中部连接成一整体，形成上下左右对称的浮框式结构，弹性片梁上粘贴电阻应变片。本发明采用弯曲变形，及四周支撑的方式，用一个连接环把四个支撑梁连接起来，形成上下、左右都对称的浮框式结构，以提高元件抵抗法向(Y)和侧向(Z)振动的能力。
文档编号G01L9/04GK102062630SQ20101058212
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者刘家骅, 宫建, 曾宪政, 毕志献, 陈星 申请人:中国航天空气动力技术研究院