汽车风洞天平设计与校准方法研究.pdf

Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(3),76-88 Published Online March 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.143011 文章引用文章引用:张超,张惠林,赵峰,耿子海,张治乾,陈钰婷.汽车风洞天平设计与校准方法研究J.应用物理,2024,14(3):76-88.DOI:10.12677/app.2024.143011 汽车风洞天平设计与校准方法研究汽车风洞天平设计与校准方法研究 张张 超超，张惠林张惠林，赵赵 峰峰，耿子海耿子海*，张治乾张治乾，陈钰婷陈钰婷 比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳 收稿日期：2024年2月7日；录用日期：2024年3月19日；发布日期：2024年3月27日 摘摘 要要 通过对汽车风洞天平的工作原理、系统组成、机械结构和静态校准等内容的系统研究，明确了汽车风洞通过对汽车风洞天平的工作原理、系统组成、机械结构和静态校准等内容的系统研究，明确了汽车风洞天平的规范化设计流程。以气动载荷、测量准度和重复性精度作为天平设计基本条件，应用理论分析方天平的规范化设计流程。以气动载荷、测量准度和重复性精度作为天平设计基本条件，应用理论分析方法计算了各测量单元的最大载荷并依据相关结果选择合适的传感器型号。应用法计算了各测量单元的最大载荷并依据相关结果选择合适的传感器型号。应用PYTHON软件编写了数据软件编写了数据处理程序，对比分析了静态校准二次干扰项对试验结果的影响。基于处理程序，对比分析了静态校准二次干扰项对试验结果的影响。基于ANSYS软件对弹性连杆的结构特性软件对弹性连杆的结构特性和机械解耦效果开展有限元仿真分析，确定了满足天平机械解耦需求的连杆结构形式。本文研究结果为和机械解耦效果开展有限元仿真分析，确定了满足天平机械解耦需求的连杆结构形式。本文研究结果为汽车风洞天平建设工作奠定了技术基础。汽车风洞天平建设工作奠定了技术基础。关键词关键词 汽车风洞汽车风洞，天平设计天平设计，天平校准天平校准 Automotive Wind Tunnel Balance Design and Calibration Method Chao Zhang,Huilin Zhang,Feng Zhao,Zihai Geng*,Zhiqian Zhang,Yuting Chen BYD Automobile Industry Company Limited,Shenzhen Guangdong Received:Feb.7th,2024;accepted:Mar.19th,2024;published:Mar.27th,2024 Abstract The standardized design process of automotive wind tunnel balance is specified by systematic re-searches on its working principle,system composition,mechanical structure,test circuit and stat-ic calibration.With aerodynamic load,accuracy and repeatability of measurement as basic condi-tions for balance design,theoretical analysis method is applied to calculate the maximum load of each load cell,and appropriate sensor models are selected according to the results.Data processing *通讯作者。张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 77 应用物理 programme is developed in Python to analyze the influence of second-order non-linearity of static calibration on test results.Based on the finite element simulation analysis with ANSYS on the structural properties and mechanical decoupling performance of elastic connecting rods,the structure of connecting rods,which can satisfy the demand for mechanical decoupling of balance,is determined.The results of the present study lay a technical foundation for the construction of automotive wind tunnel balance.Keywords Automotive Wind Tunnel,Balance Design,Balance Calibration Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.前言前言 风洞试验是发现和探索相关目标空气动力学机理和了解流动规律的重要手段，而风洞应变天平又是风洞试验中不可或缺的重要测量装置。针对风洞应变式天平的研究受到研究人员的广泛关注1 2 3 4 5。田正波等人开展应变天平开槽对天平性能的影响研究发现圆弧型开槽能够明显改善天平测力性能1。焦园圆设计一款新型航空盒式六分量天平并对该天平进行了解耦分析，完成了天平的灵敏度分析和应力校核2。于常安等人研制了一种新型并且最终指标满足设计要求的结构紧凑型六分量盒式天平3。车兵辉、汪运鹏和聂少军等人针对风洞天平传统线性回归标定方法的缺陷采用神经网络的方式进行校准研究，结果表明采用神经网络的方法能够显著提高天平拟合的精度3 4 5。汽车风洞天平最主要的作用就是获得模型或实车上的气动载荷。近些年来国内相继建设数座高水平汽车气动声学风洞，但是鲜有人从事汽车风洞天平的相关细致研究(上文所述相关研究工作皆针对航空应变式风洞天平)，相关方向的技术探索也存在相应空白。本文开展汽车风洞天平设计与校准方法研究，认知汽车风洞天平的工作原理、熟悉汽车风洞天平的结构特点、明确汽车风洞天平的关键技术、掌握汽车风洞天平的设计与校准方法，为开展汽车风洞天平设备的建设与使用奠定技术基础6，也为后续开展汽车风洞天平解耦和校准方向的其他研究提供借鉴参考。汽车风洞天平具有结构精密、系统复杂、载荷跨度大、测量精准度高等特点，是气动声学风洞测力试验系统的核心设备7。为实现知原理、懂设计、会校准、能维护等目标，通过对汽车风洞天平的工作原理、系统组成、机械结构和静态校准等内容的系统梳理，掌握了汽车风洞天平的规范化设计流程。聚焦汽车风洞天平设计的关键技术问题：机械解耦和测量精准度，应用 ANSYS 软件对弹性机械连杆与拉压传感器结构开展力学性能仿真，对力的传递、分解、耦合作用充分解析，将汽车风洞天平的具体设计工作梳理透彻8。本论文具体阐述三部分内容，一是汽车风洞天平的系统组成与工作原理；二是汽车风洞天平的设计与校准；三是汽车风洞天平机械解耦与校准误差。2.汽车风洞天平的系统组成与工作原理汽车风洞天平的系统组成与工作原理 汽车风洞天平属于应变天平，其系统组成包括浮动框、弹性连杆、拉压传感器、固定框(如图 1 所示)，此外，天平系统还包括数据采集与处理系统和天平校准相关设备9。Open AccessOpen Access张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 78 应用物理 Figure 1.Automotive wind tunnel balance composition diagram 图图 1.汽车风洞天平系统组成示意图 固定框上布置七个悬臂梁结构测量元件，每个测量元件通过弹性连杆与浮动框相连10。弹性连杆在Z 方向布置四根，Y 方向两根，X 方向一根，每根弹性连杆上均固连一个柱式拉压力传感器(如图 2 所示)。Figure 2.Strain sensor 图图 2.拉压传感器 Figure 3.Working principle of automotive wind tunnel balance 图图 3.汽车风洞天平工作原理图 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 79 应用物理 汽车风洞天平可以在体轴坐标系中同时测量作用在实车(或模型)上的空气动力载荷，相关载荷通过弹性连杆传递到测量元件导致其产生变形(应变与力的大小成正比)。传感器测量元件的电阻大小由于其受力变形发生变化，该电阻阻值的变化导致惠斯顿全桥电路产生电压信号的改变，此电压信号经过信号放大并经 A/D 转换成数字信号被采集器采集存储。通过数据处理，将数据代入天平校准公式计算就能获得作用在实车(或模型)上的力与力矩11。其具体工作原理如图 3 所示。3.汽车风洞天平的设计与校准汽车风洞天平的设计与校准 3.1.汽车风洞天平的设计条件汽车风洞天平的设计条件 参考某汽车风洞天平技术需求，将天平量程、准度、重复性精度作为基本设计条件，具体参数见表 1。Table 1.Balance parameters and indicators 表表 1.主天平参数与指标 分量 量程(N/Nm)准度(N/Nm)分辨率(N/Nm)Fx 5000 1 0.1 Fy 5000 1 0.1 Fz 5000 1 0.25 Mx 5000 1 0.25 My 5000 1 0.25 Mz 5000 1 0.25 3.2.汽车风洞天平的设计内容汽车风洞天平的设计内容 汽车风洞天平设计内容包括天平机械结构设计、测量单元设计和静态校准设计。3.2.1.天平机械结构设计天平机械结构设计 根据试验车辆的大小确认天平浮动框和固定框轮廓尺寸并依照天平载荷确认弹性连杆特征尺寸。固定框与地面固连，为整个天平提供稳定支撑。浮动框和固定框要求具有足够的强度和刚度12。1)传感器载荷计算 在风洞试验中，实车受到的气动载荷通过弹性连杆传递到天平测量单元。其中，Z 方向的四根弹性连杆传递的是法向力 FZ、俯仰力矩 MY和滚转力矩 MX；Y 方向的两根弹性连杆传递的是侧力 FY、横摆力矩 Mz和滚转力矩 Mx；X 方向的一根弹性连杆传递的是阻力 FX与俯仰力矩 My。在实际使用中，天平浮动端感受的六个空气动力分量全部由七根弹性连杆传递到各自的拉压传感器上，由此可以确认这七根弹性连杆和与连杆对应的拉压传感器受力大小各不相同。为计算在某载荷作用下每个拉压传感器的受力大小，构建汽车风洞天平体轴坐标系，首先需明确 Z 方向四个拉压传感器位置，从而可以确定天平的总体尺寸。接下来布置 Y 方向和 X 方向拉压传感器位置，原则是这三个传感器中心点 Z 轴坐标一致13。以这三个传感器中心点所在平面为天平体轴坐标系参考平面，将该平面中心点为天平体轴坐标系坐标参考点，以天平的 X 方向和 Y 方向特征尺寸为依据计算各传感器中心点坐标，能够确定天平绕不同坐标轴力矩对应力臂的特征尺寸(如图 4 所示)。张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 80 应用物理 Figure 4.Characteristic dimensions of balance lever 图图 4.天平力臂特征尺寸 作用在天平各测量元件上的载荷分配关系为：12345670000001000011011110000000000022xyzxyzRFRFRFRaaaahhMRbbbbhMRddMR=(1)上式中力矩对应的力臂 h、a、b 和 d 分别表示传感器 R5、R6 和 R7 所在平面到浮动端表面的距离、R1R4传感器到 X平面的距离、R1R4 传感器到 Y平面的距离和 R5 与 R6 之间的距离，具体的取值为h=0.95 m，a=1.4 m，b=2.9 m，d=3.8 m。各传感器最大载荷通过如下矩阵关系式计算14：123456711104444411104444411104444411104444411000021100002100000 xyzxyzhhbaabhhRbaabFRhhFRbaabFRhhMbaabRMRMdRd=(2)将天平气动载荷量程 Fz=5000 N，Fx=5000 N，My=5000 N，Fy=5000 N，Mz=5000 N，Mx=5000 N 代入矩阵方程(2)得到 FRz1=3013 N，FRz2=2970 N，FRz3=513 N，FRz4=470 N，FRy1=3816 N，FRy2=1185 N，FRx=5000 N。2)受力部件材料选择 汽车风洞天平作为一种高精度的测量仪器，天平材料一般选用高强度的低碳合金钢，主要有优质铬锰硅合金钢、沉淀硬化不锈钢与马氏体时效钢。目前普遍采用 F141(00Ni18Co8Mo5TiAl)和 17-4PH(Cr17Ni4Cu4Nb)两种马氏体时效钢作为天平材料15，材料特性如表 2 所示。张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 81 应用物理 Table 2.Wind tunnel balance materials and mechanical properties 表表 2.风洞天平材料及力学特性 名称 浮动框、固定框、连接板 弹性连杆、拉压传感器 材料 17-4PH F141 弹性模量 213,000 187,250 泊松比 0.27 0.3 屈服强度 1180 1754 抗拉强度 1310 1850 3.2.2.测量单元设计测量单元设计 天平测量单元由拉压传感器、信号放大器、信号采集器、A/D 转换器、数据存储器、数据处理软件16(如图 5 所示)。该部分内容的核心工作是拉压传感器的选择，以天平分辨率、重复性精度、测量准度和载荷量程为依据，选择满足指标需求的拉压传感器型号，匹配数据采集系统。Figure 5.Units of measurement 图图 5.测量单元 3.2.3.静态校准设计静态校准设计 天平静态校准选择单分力加载，各分量加载设计值如表 3 所示。Table 3.Single force loading data 表表 3.单分力加载数据表 Fx Fy Fz Mx My Mz 0 0 0 0 0 0 1410 980 1175 1350 3240 810 2820 1960 2350 2700 6480 2430 4230 2940 3525 4050 9720 4050 5640 4900 5875 5400 6480 5670 4230 2940 3525 4050 3240 4050 2820 1960 2350 2700 0 2430 1410 980 1175 1350 810 0 0 0 0 0 依据天平测力试验实际物理场景，单分力加载设计阻力单元只加载阻力正方向，侧向力、法向力和力矩都加载了两个方向。系数矩阵构建过程如下，通过单分力加载，将某分力施加载荷与传感器测量载张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 82 应用物理 荷数据分别拟合，天平六分量一次项系数校准曲线如下。Figure 6.Calibration curves of FX 图图 6.FX校准曲线 图 6 表明，R7 为阻力测量单元，主项系数为 0.99888，干扰项系数很小。Figure 7.Calibration curves of Fy 图图 7.Fy校准曲线 图 7 表明，R5、R6 为侧力测量单元，主项系数为分别为0.99857 和 0.99782，干扰项系数很小。Figure 8.Calibration curves of Fz 图图 8.Fz校准曲线 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 83 应用物理 图 8 表明，R1、R2、R3、R4 为法向力测量单元，主项系数为分别为1.00204、1.00201、1.00181、和1.00184，干扰项系数很小。Figure 9.Calibration curves of Mx 图图 9.Mx校准曲线 图 9 表明，Mx与法向力和侧向力关联，主项系数为分别为 1.67326、1.67381、1.67232、1.67286、1.30686、1.30686，干扰项系数很小。Figure 10.Calibration curves of My 图图 10.My校准曲线 图 10 表明，My与法向力和轴向力关联，主项系数为分别为2.37927、2.38004、2.37876、2.38069和1.38950，干扰项系数很小。Figure 11.Calibration curves of Mz 图图 11.Mz校准曲线 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 84 应用物理 图 11 表明，Mz与侧向力关联，主项系数为分别为2.26543、2.26201，干扰项系数很小。得到一次项系数校准矩阵(6 7)，结果如(3)所示：0.000150.000170.000070.000010.000340.00040.998880.000010.000070.000180.000250.998570.997820.000011.002041.002011.001811.001840.000380.000410.000161.673261.673811.672321.672861.306861.3A=06360.000122.379272.380042.378762.380690.000260.000161.38950.000150.000330.000040.000232.265432.262010.00096 (3)得到二次项系数校准矩阵(6 35)，结果如(4)所示：3.41E092.70E095.58E101.01E086.70E091.62E087.23E115.39E091.50E084.39E083.99E101.50E085.49E093.30E082.48E118.97E091.06E085.20E094.21E112.38E082.46E104.34E095.45B=?E102.27E08 (4)由于天平准度与重复性精度要求高，精细化校准是决定性环节。依据工程经验，天平校准矩阵需要包含一次项系数矩阵和二次项系数矩阵，天平各分量计算表达式如(5)式所示。()717711,2,3,4,5,6iijjijkjkjjkjFA SB S Si=+=(5)4.机械解耦与校准误差机械解耦与校准误差 4.1.机械解耦机械解耦 机械解耦是汽车风洞天平设计过程中必须解决的关键技术问题。多分量天平在使用时各分量之间会出现不同程度的相互干扰。为弱化干扰，使用特殊结构形式的弹性连杆(如图 12 所示)，实现测量单元只对测量分量的载荷敏感，而对其他分量的载荷不敏感。弹性连杆连接传感器的一端设置有双向弹性铰链，侧向与法向自由度的作用是排除侧向与法向力的干扰，使弹性连杆只传递轴向的拉力或压力，由此产生的结果是每一根弹性连杆只将其轴向的力传递给拉压传感器，起到力的解耦作用17。Figure 12.Cross hinge elastic connecting rod 图图 12.十字铰链弹性连杆 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 85 应用物理 应用 ANSYS 软件对汽车风洞天平的机械结构进行有限元分析(如图 13、图 14 所示)，将天平最大设计载荷作为力源，通过单分量加载模式输入到天平浮动端。提取测量单元拉压传感器的应力。采用在相同力源作用下，拉压传感器安装十字弹性铰链与不安装弹性铰链两种模式的力学特性对比，验证弹性铰链的解耦效果。仿真算例设置中天平网格量为 370 万，在固定框底部四条边线上添加固定约束，并在天平浮动框上施加六分量的载荷。仿真计算结果如表 4 所示(上标“W”表示无铰链)，分别给天平各分量施加最大载荷，表中给出了测量单元的传感器应力最大值。对比相同传感器在连接十字铰链和不连接十字铰链两种状态下的最大应力结果，可以明显看出十字铰链弹性连杆解耦效果明显。Figure 13.Simulation of the mechanical properties of the cross hinge elastic connecting rod 图图 13.十字铰链弹性连杆力学特性仿真 Figure 14.Simulation of the mechanical properties of hingeless connecting rod 图图 14.无铰链连杆力学特性仿真 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 86 应用物理 Table 4.Comparison of mechanical decoupling effect of elastic connecting rod(Unit:Mpa)表表 4.弹性连杆机械解耦效果对比(单位：Mpa)R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 XF 0.486 0.479 0.239 0.215 0.097 0.062 1.398 WXF 2.213 2.166 1.599 1.415 1.041 0.499 3.101 YF 0.395 0.653 0.408 0.642 0.642 0.621 0.125 WYF 1.332 1.796 1.303 1.735 1.774 1.569 1.092 ZF 0.623 0.626 0.460 0.494 0.098 0.071 0.325 WZF 1.809 1.661 0.664 0.727 0.956 0.569 2.187 XM 0.385 0.390 0.387 0.386 0.020 0.019 0.016 WXM 0.688 0.606 0.593 0.678 0.178 0.171 0.126 YM 0.138 0.138 0.142 0.136 0.042 0.004 0.087 WYM 0.199 0.186 0.183 0.204 0.052 0.050 0.032 ZM 0.241 0.323 0.245 0.298 0.314 0.315 0.019 WZM 1.023 1.365 1.033 1.318 0.808 0.702 0.125 4.2.校准误差校准误差 汽车风洞天平的机械结构、弹性连杆以及测量单元传感器等硬件决定了天平的基本性能，在硬件条件确定的情况下，校准矩阵是天平测量准度的决定性因素。校准矩阵包括一次项系数矩阵和二次项系数矩阵。图 15 展示了天平最终实现的精度与天平设计要求的精度，结果表明天平最终精度满足设计指标。如果天平机械解耦效果达到理想预期，理论上使用一次项校准矩阵计算就能得到满足测量准度需求的结果。为考核本设计案例的机械解耦效果，专门对比了应用完整校准矩阵(包括一次项和二次项系数)与只考虑一次项的校准矩阵对天平精度的影响。以单独加载 Mz时为例，图 16 给出了不考虑二次项系数和考虑二次项系数的校准误差曲线。图 17 给出了二次项系数对测量误差的影响曲线。结果表明，在机械解耦效果明显的条件下，二次项系数对天平测量结果影响较大，天平校准矩阵必须使用一次项系数和二次项系数相结合的模式。Figure 15.Balance final accuracy and design requirement accuracy 图图 15.天平最终精度与设计要求精度 张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 87 应用物理 (a)(b)Figure 16.Balance calibration error.(a)Not considering quadratic interference;(b)Considering quadratic interference 图图 16.天平校准误差。(a)不考虑二次干扰项；(b)考虑二次干扰项 Figure 17.Quadratic interference error 图图 17.二次项干扰误差 5.结论结论 本文分析了风洞应变式天平的研究现状，针对国内汽车风洞应变式天平领域内的相关空白展开研究。此次研究系统梳理了汽车风洞天平的系统组成与工作原理，初步掌握了其设计流程与校准方法。应用 PYTHON 编程，计算并优化了天平输入载荷与各传感器上输出载荷的关系，明确了传感器选择依据，并应用 ANSYS 软件仿真解析了弹性连杆的结构形式与解耦效果，校准结果与仿真分析结果一致，弹性连杆解耦效果符合预期目标。参考某天平校准数据，完整解析了天平各分量测量准度，结果表明该设计案例完全满足需求指标。本文相关研究工作为天平建设提供了一定参考依据，也为后续汽车风洞天平相关方向的具体研究提供借鉴。参考文献参考文献 1 田正波,王超.杆式应变天平弧形断开槽结构特性研究J.机械工程师,2019(3):87-89.2 焦园圆.航空六分量盒式应变天平结构设计J.滨州学院学报,2020,36(4):33-36.3 车兵辉,尹欣繁,彭先敏,章贵川.基于BP神经网络的天平校准数据处理方法研究J.计算机测量与控制,2020,28(10):165-169.4 聂少军,王粤,汪运鹏,赵敏,等.循环神经网络在智能天平研究中的应用J.力学学报,2021(8):2336-2344.张超 等 DOI:10.12677/app.2024.143011 88 应用物理 5 汪运鹏,聂少军,王粤,姜宗林.卷积神经网络在风洞天平静态校准中的应用J.空气动力学学报,2023(3):25-32.6 Kim,G.-S.(2000)The Development of a Six-Component Force/Moment Sensor Testing Machine and Evaluation of Its Uncertainty.Measurement Science and Technology,11,1377-1382.https:/doi.org/10.1088/0957-0233/11/9/318 7 罗天保,沈景鹏,黄健,王作全.风洞天平校准装置的技术特性和评定方法研究J.中国测试,2012,38(2):46-48.8 战培国.AIAA 风洞天平校准标准研究J.航空科学技术,2012,135(3):24-26.9 刘勃错.一种六分量应变式风洞天平的研制D:硕士学位论文.成都:电子科技大学,2016.10 田力伟.风洞天平采集校准系统D:硕士学位论文.西安:西北工业大学,2003.11 祝东营.预紧容错式六维力传感器标定测试与应用研究D:硕士学位论文.秦皇岛:燕山大学,2014.12 陈晨.新型六分量光纤天平研制D:硕士学位论文.南京:南京航空航天大学,2017.13 姚建涛,李立建,许允斗,赵永生.超静定六分量传感器静定测量模型及标定方法J.仪器仪表学报,2013,34(9):1927-1933.14 贾振元,高翼飞,任宗金,刘巍.六分量压电天平研制与静态性能测试研究田J.大连理工大学学报,2014,54(1):43-48.15 翁大成.机械解耦并联三维力传感器设计与研制D:硕士学位论文.秦皇岛:燕山大学,2016.16 贺德馨.ABAQUS6.6 在机械工程中的应用M.北京:中国水利水电出版社,2007.17 石亦平,周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解M.北京:机械工业出版社,2006.