盒式应变天平动态建模与补偿

　　1　引　言

　　风洞应变天平是一种多维力传感器,广泛用于重大装备的风洞实验中。它能将作用在模型上的空气动力和力矩沿3个相互垂直的坐标轴系进行分解,并精确测量[1]。但是,由于应变天平的阻尼比过小,固有频率较低,所以,动态响应速度慢,不满足动态测试的要求。近年来,国内在应变天平研制工作的重点是实现天平校准的体轴系、高精度和自动化,建立了若干台由计算机集中控制的大载荷、体轴系、自动化、高精度的内式六分量应变天平静校设备[2, 3],而未研究应变天平的动态校正问题。国外在风洞天平研制和天平校准方面,主要是借助计算机,采用有限元方法对天平结构进行应力分析,进而作优化设计[4, 5];研制评价天平静态性能指标的自动校准装置[6, 7],也未开展应变天平动态校准和动态特性的研究。为此,本文探讨盒式应变天平的动态实验、建模与补偿。

　　2　动态实验

　　在沈阳空气动力研究院对某种型号的盒式应变天平进行了动态实验。实验装置主要包括:盒式风洞应变天平、加载头(含辅助定位器件)、加载台、滑轮悬挂系统、砝码和数据采集仪等。其中,加载头是沈阳空气动力研究院针对该盒式天平而专门设计的。加载头的作用是为盒式天平提供较为准确的加载点,同时,模拟飞行器模型对天平的负载。加载台为加载头提供定位支撑。滑轮悬挂系统为动态实验中的辅助加载系统,设置于加载台周围,以方便对天平各个方向进行准确加载。各个位置的滑轮均可通过位置微调来精确定位,以提供准确加载方向。砝码用来模拟风洞中的空气动力负载。数据采集仪有多个模拟输入通道,用于记录天平的输出数据。动态实验中,盒式天平装在加载头内,加载头固定在加载台上。通过滑轮悬挂系统,用钢丝绳将砝码悬挂起来,并连接到加载头上,对盒式天平施加一定大小的力或力矩。通过突然剪断钢丝来分别对天平6个方向施加负阶跃形式的力和力矩分量。盒式天平的8路输出信号由动态数据采集仪采集。为更好地分析各个受力方向的动态特性,实验中我们只实行单元加载,即每次只加载一个方向力或力矩。盒式天平动态实验的加载示意图如图1所示。实验中选用弹性小的钢丝绳挂砝码、剪断点尽量靠近加载头,可避免由于弹性运动给动态阶跃带来较大的影响。对于盒式天平6个加载方向,在其设计载荷的满量程范围内取多点进行动态实验。

　　实验步骤: (1)用钢丝挂砝码(经过定滑轮)连接到加载头上相应加载点(单元加载); (2)稳定加载砝码,这时天平所承受的是一个负方向的力,相应方向上的应变片发生变形,从而使天平输出电压信号反映载荷的大小; (3)在负载稳定以及数据采集仪准备好后,迅速剪断钢丝,使天平的外加作用力瞬间消失,形成一个阶跃输入。16位采集精度的动态数据采集仪记录了盒式天平8个通道的响应输出数据。动态采集仪的放大倍数设为100,输入滤波截止频率设为10 kHz,记录长度为10 s。重复同样的过程,对盒式天平满量程范围内取多点负载值,反复进行实验,以尽量降低人为因素的影响。