Трехкомпонентные аэродинамические тензовесы

Полный текст

Введение

Воздействие потока на модели, исследуемые в аэродинамических трубах, сводится к силам, непрерывно распределенным по обтекаемой поверхности модели. Эти силы характеризуются в каждой точке поверхности давлением и касательным напряжением. Интегрируя эти нагрузки по поверхности, можно найти суммарные аэродинамические характеристики. Более точным и надежным методом определения суммарных аэродинамических сил и моментов является непосредственный метод измерения сил и моментов при помощи аэродинамических весов. Задачи комплексной автоматизации многофакторного эксперимента не могут быть решены традиционными измерительными системами с преобразователями механического типа. Для решения задач измерений при аэродинамических испытаниях и повышения уровня их автоматизации необходимо использовать тензометрические измерительные системы [1$–$4].

Одним из основных признаков аэродинамических весов является число измеряемых компонент. В зависимости от этого числа весы могут быть трех-, четырех- и шестикомпонентными.

Шестикомпонентные весы измеряют величины (компоненты) проекций полной аэродинамической силы на выбранные три взаимно перпендикулярные оси координат и три компоненты полного момента относительно этих осей [5$–$8].

Трехкомпонентные аэродинамические весы измеряют две компоненты полной аэродинамической силы (подъемную силу Y и силу лобового сопротивления Х) и продольный момент относительно поперечной оси (момент тангажа М_z) [9].

В зависимости от расположения аэродинамических весов относительно модели и аэродинамической трубы они разделяются на два типа: весы, располагаемые вне модели и рабочей части трубы, и весы, располагаемые внутри модели или державки.

Конструкция и принцип работы устройства

В аэродинамической лаборатории кафедры летательных аппаратов разработаны трехкомпонентные весы первого типа.

Работа весов основана на тензометрическом методе измерения сил и моментов. Силовые упругие элементы (балки) конструктивно выполняются так, что они имеют наименьшую жесткость относительно одной из осей. При приложении нагрузки вдоль этой оси возникает наибольшая деформация этого элемента. В других направлениях жесткость упругого элемента значительно больше, и если действуют усилия в направлении других осей, то деформация упругого элемента практически отсутствует. Балки имеют настолько малые деформаџии, что вызванными ими перемещениями модели можно пренебречь. Измерение малых деформаций упругих элементов производится с помощью тензодатчиков, преобразующих величину деформации в изменение электрического сопротивления, которое затем измеряется прибором, соединенным с соответствующей измерительной схемой.

Выбор тензодатчиков в качестве весовых элементов обусловлен их весьма малыми размерами и весом, возможностью измерения очень незначительных относительных деформаций упругих элементов, малой инертностью, что позволяет измерять не только статические, но и динамические нагрузки, а также возможностью дистанционных измерений [10$–$12].

Напряженное состояние на поверхности упругого элемента, к которой приклеен датчик, может изменяться от точки к точке, поэтому изменение сопротивления датчика пропорционально некоторому среднему напряжению на участке с длиной, равной базе датчика. Для того чтобы датчики фиксировали напряжение в точке, в аэродинамических весах использованы датчики с малой базой (7 мм) сопротивлением 200 Ом. Тензодатчики соединены по мостовой схеме и включены во все четыре плеча моста, что позволяет существенно повысить чувствительность и обеспечить большую точность измерений.

В аэродинамических весах, располагаемых вне модели, разложение полной аэродинамической силы и момента на компоненты осуществляется при помощи упругих звеньев, которые одновременно выполняют роль и измерительных элементов. Конструктивная схема весов представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Конструктивная схема аэродинамических тензовесов

Fig. 1. Design diagram of aerodynamic strain gauges

 

Модель устанавливается в потоке при помощи хвостовой Г-образной державки, чтобы исключить влияние на поток в том месте рабочей части, где установлена модель. При продувке в аэродинамической трубе измеряется сумма двух аэродинамических сил, одна из которых действует на модель, а другая $–$ на поддерживающие эту модель устройства, размещенные в потоке. Для нахождения силы, действующей только на модель, из суммарного усилия вычитается составляющая, приходящаяся на поддерживающие устройства. Эта составляющая определяется в результате продувки поддерживающих устройств без модели.

Сила лобового сопротивления Х, подъемная сила Y и момент тангажа М_z даются в поточной системе координат, когда ось OX направлена по потоку, ось OY $–$ перпендикулярно ей вверх. За начало координат принят центр давления модели.

Сила лобового сопротивления Х, действующая на модель, передается через стойку весов на четыре вертикальные балки I (на рис. 2, а показаны только две из них). Упругие элементы имеют очень малое сопротивление изгибу в плоскости действия силы Х и значительную жесткость в перпендикулярной плоскости. Эта составляющая (Х) вызывает S-образный изгиб балок (рис. 2, а). Датчики, наклеенные на противоположные стороны балок, включаются в смежные плечи моста (рис. 2, б), и мост реагирует лишь на силу сопротивления Х. Другие компоненты (Y, М_z) являются источниками растяжения или сжатия и не вызывают разбаланса моста.

 

Рис. 2. Измерение силы лобового сопротивления:

а $–$ схема деформации измерительных элементов; б $–$ электрическая схема соединения тензодатчиков

Fig. 2. Measurement of drag force:

a $–$ deformation diagram of measuring elements; b $–$ electrical connection diagram of load cells

 

Для измерения подъемной силы Y и момента тангажа M_z служит горизонтальная балка II с закрепленной на ней державкой.

Под действием подъемной силы Y происходит S-образный изгиб упругих элементов этой балки (рис. 3). Для того чтобы получить выходные сигналы, пропорциональные только этой составляющей, в измерительный мост включены тензодатчики 9$–$12, установленные на нижней и верхней поверхностях чувствительных пластин в центральной части балки II. Схема включения датчиков в мост представлена на рис. 3, б. Датчики 9, 11 и 10, 12 включены в разные плечи моста. Если на упругие элементы балки II действует подъемная сила, то эти датчики регистрируют деформации разных знаков и на выходе моста появляется сигнал.

 

Рис. 3. Измерение подъемной силы:

а $–$ схема деформации измерительных элементов; б $–$ электрическая схема соединения тензодатчиков

Fig. 3. Measurement of lifting force:

a $–$ diagram of deformation of measuring elements; b $–$ electrical diagram of connection of load cells

 

Момент тангажа М_z воспринимается упругими элементами, расположенными вдоль оси ОХ (рис. 4, а, б). На периферийной части чувствительных пластин балки II установлены тензодатчики 13$–$16, включенные в измерительный мост, реагирующий на деформацию изгиба упругих элементов только под действием момента тангажа. Деформация горизонтальной балки II вызывает изменение сопротивления не только в тензодатчиках, измеряющих этот момент, но и в тензодатчиках 9, 11 и 10, 12, предназначенных для измерения подъемной силы. Таким образом, имеется определенное влияние момента тангажа на величину измеряемой подъемной силы.

 

Рис. 4. Измерение момента тангажа:

а $–$ схема деформации измерительных элементов; б $–$ электрическая схема соединения тензодатчиков

Fig. 4. Pitch moment measurement:

a $–$ diagram of the deformation of the measuring elements; b $–$ electrical diagram for connecting strain gauges

 

При деформации балки II под действием только подъемной силы изменения сопротивления в тензодатчиках 13$–$16, предназначенных для измерения момента тангажа, не наблюдается. Поэтому влияние подъемной силы на момент тангажа отсутствует.

Так как конструкция весов не позволяет электрически разделить компоненты Y и М_z, то влияние момента тангажа на величину подъемной силы определяется в процессе тарировки и оценивается с помощью специального графика влияния, построенного по результатам тарировочных данных.

При тензометрических измерениях выходные величины сил и момента, действующие на испытуемую модель, получаются в виде соответствующих показаний прибора, измеряющего электрические сигналы, пропорциональные приложенным силам. Для перевода приборных данных в величины сил и моментов необходимо производитъ совместно тарировку весов и приборов с цељю получения так называемых тарировочных коэффициентов k_x, k_y, k_mz.

Тарировочные коэффициенты представляют собой цену одного деления шкалы прибора в ньютонах при измерении сил или в ньютонометрах при измерении момента. Умножая полученные в эксперименте данные на соответствующий тарировочный коэффициент с учетом влияния поддерживающих устройств, получают величины сил в ньютонах и моментов в ньютонометрах. При этом дополнительные составляющие аэродинамических сил и моментов, создаваемые державкой и определяемые путем её продувки в присутствии модели, вычитаются со своими знаками из приборных данных [13$–$15].

Величины сил, действующих на модель, могут быть представлены в виде

$\begin{array}{c}{X}_{\text{мод}}=X_{\text{приб}}-X_{\text{держ}},\\ Y_{\text{мод}}=Y_{\text{приб}}-Y_{\text{держ}}-\Delta Y_{M_z},\end{array}$

где X_приб, Y_приб $–$ показания приборов при продувке системы модель $–$ державка в целом; X_держ, Y_держ $–$ показания приборов при продувке одной державки; ΔY_Mz $–$ величина влияния момента тангажа на подъемную силу, определяемая по графику влияния.

Величина момента тангажа, действующего на модель, может быть определена по формуле

^{$M_{z\text{мод}}=M_{z\text{приб}}-M_{z\text{держ}}.$}

Зная тарировочные коэффициенты k_x, k_y, k_mz, компоненты действующих на модель аэродинамических сил и момента можно вычислитъ по формулам

$\begin{array}{c}{X}_{\left[\text{H}\right]}=k_x\cdot X_{\text{мод}},\\ Y_{\left[\text{H}\right]}=k_y\cdot Y_{\text{мод}},\\ M_{\left[\text{Нм}\right]}=\cdot k_m\cdot {М}_z{}_{\text{мод}}.\end{array}$

Для определения аэродинамических коэффициентов сил необходимо размерные величины Х_[Н], Y_[H] отнести к скоростному напору q_∞ и характерной площади модели S_м.

Коэффициент сопротивления определится следующим образом:

$C_x=\frac{X_{\left[\text{H}\right]}}{q_{\infty }\cdot S_{\text{м}}}=\frac{X_{\left[\text{H}\right]}}{\frac{\rho v_{\infty }^2}{2}\cdot S_{\text{м}}}=\frac{X_{\left[\text{H}\right]}}{\frac{\rho }{2}\frac{2\phi \gamma h}{\rho }\cdot S_{\text{м}}}=X_{\left[\text{H}\right]}\frac{1}{\phi \gamma h{S}_{\text{м}}}=C_1{X}_{\left[\text{H}\right]},$

$C_1=\frac{1}{\phi \gamma H{S}_{\text{м}}},$

где $\phi$ $–$ коэффициент приемника воздушного давления; γ $–$ объемный вес жидкости, залитой в микроманометр, H/м³; h $–$ высота столба жидкости в микроманометре, м; S_м $–$ площадь миделевого сечения модели.

Аналогично для коэффициента подъемной силы

$Cy=C_1{Y}_{\left[H\right]}.$

Аэродинамические коэффициенты C_x, C_y даются в поточной системе координат, когда ось OX направлена по потоку, ось OY $–$ перпендикулярно ей вверх.

Коэффициент момента тангажа относительно центра тяжести, расположенного на продольной оси модели можно определить по формуле

$m_z{}_t=C_y\left(\overline{x_t}-C_d\right),$

где С_d $–$ коэффициент центра давления, определяемый по формуле

$C_d=\frac{m_{zt}}{C_y}.$

Здесь $\overline{x_t}$$–$ относительная координата положения центра тяжести модели, считая от носовой точки, в долях длины модели:

${\overline{x}}_t=\frac{x_t}{b},$

где b $–$ хорда крыла или длина модели.

Заключение

Использование тензометрических весов позволяет значительно сократить время проведения эксперимента и повысить точность определения исследуемых величин. Отсутствие в тензометрических весах сложных поддерживающих устройств, характерных для весов механического типа, позволяет уменьшить влияние державок на обтекание исследуемой модели и тем самым повысить надежность результатов измерений.

Об авторах

Виктор Савельевич Козлов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: kozlov@sibsau.ru

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры летательных аппаратов

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Светлана Владимировна Котельникова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: sv_kot@mail.sibsau.ru

старший преподаватель кафедры информационных управляющих систем

Россия, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы