RUAG: 风洞内的ICE - 在风洞内测量空气动力学负载

一般说来，在风洞试验时，用带应变计（SG）的测力和扭力天平确定作用在试验物体上的空气动力载荷。测量工程师通常希望有一套可以获得、记录和显示平衡力的自动、灵活、移动式测量系统

轨道车辆的安全试验

当轨道车辆有侧风时，为安全起见，需要确定风洞试验时车辆的空气动力参数。模型要求、测量技术和实现方法在规程中给予了规定。测量数据作为车辆证书的一项组成部分是有效的。为了进行这样的试验，并保证具有较高的试验精度、可再现性，更重要的是不依赖于风洞操作员所使用的测量技术，瑞士埃门的RUAG航天公司开发了一套系统，该系统由一个SG天平组成，并具有信号处理，数据采集和测量值分析能力，代表德国慕尼黑的德国铁路股份公司。该系统可以与风洞外的各种模型进行组态并独立于风洞。

该天平安装在模型内，这也就是说力臂更短，因此可以保证可以更精确地确定扭矩。在风洞侧只需要提供主要的工作参数和设置参数（压力、温度、湿度、推角），以确定所需的气动参数

测量原理

SG装置安装在风洞天平所使用的测量元件上的惠斯登电桥电路上。在空气动力载荷的作用下，有测量点的分力在弹性区变形，引发测量桥发出与施加的力成正比的电压信号。

根据天平的类型，可以确定出6个空间分力（力F_X、F_y、F_z和扭力M_x、M_y和M_z）。一般情况下，这些天平也称为多分力天平。电输出信号与施加载荷之间的关系取决于天平的校准

整个系统

整个系统要求具有如下各项功能:

• 独立的测量系统，包括传感器、信号处理、测量值分析,
• 精度、分辨率和再现能力高

• 模块化结构

• 操作简单

 

RUAG 航天公司的模块天平

在过去的几年里 RUAG 航天公司开发了一系列天平，这些天平在几何尺寸和负载要求方面覆盖广泛的用途。天平的特点是坚固耐用，具有较高的测量灵敏度和具有长期稳定性。

模块型天平由一个风洞侧承载板组成，该板带7根弹性元件用活节连杆连接到模型侧承载板。这些活节连杆具有传力作用而尽可能不产生干扰。因此该天平不会有产生摩擦滞后效应的运动件.

测量放大器

传感器源、信号放大和调节、与PC机通信的任务都是通过测量放大器系统MGCplus来实现的。ML30B放大器架的规定线性偏差是指预期信号可以按天平要求< O.3%的精度在设计范围内测量.

应变片模块天平上的测量桥用6-线绝缘电路连接到载频放大器上。为避免形成接地回路，电缆屏蔽不得连接到天平上。天平还要进行声光过载控制。每个SG信号设定的极限值为天平测量点设计值的80%.

软件

开发用途使用美国国家仪器有限公司的DIAdem软件作为测量和鉴定程序。与MGCplus测量放大器系统的连接使用适当的HBM驱动器通过以太网连接，也可以使用其它替代方法。

软件要求:

• 数据采集和处理的程序控制
• 测量信号采集
• SG天平的声光监测
• 个别值的统计评价
• 测量信号的处理
• 数据的可视化和存贮
• 模块结构

MGCplus助手用于设定测量通道并进行参数化设置，该助手是MGCplus 包的一部分，并且可直接用DIAdem启动。所有传感器包括天平的定标都是通过DIAdem宏实现的。只有天平监测的极限值用MGCplus助手设定

风洞试验

图1（在本篇开头）所示为按RUAG航天公司亚音速风洞内的流向进行试验的试验方案。该模型以ICE为基础，内置SG天平在底架区域用两根撑杆固定在一个旋转底盘上以便侧流。天平的测量电缆穿入中空的撑杆连接到测量室内的测量放大器上。

测量结果

该新型测量系统是否合格可通过将该测量系统与从外部获取的外置天平的测量值比较实现。图4所示为力系数与恒定风速下的行进推角之间的关系的举例。两套系统的区别在于所需的公差不一样。对于滞流和对称流也可以获得非常好的效果结论

本处描述的测量系统由一个RUAG航天公司的多分力天平，一个HBM测量放大器装置和相应的软件组成，可以非常准确地确定风洞试验中的力和扭矩。还具有的优点就是系统内集成了过载和摩擦连接监测器。该测量系统还适用于其它必须确定动力载荷甚至间歇载荷的用途。.