基于Kriging模型的风洞应变天平静态校准方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaDec．252016V01．37No．123685．3691ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．eduCR基于Kriging模型的风洞应变天平静态校准方法刘志勇1’2，苗磊2，陶洋2一，张诣2，王树民21．中国科学技术大学工程科学学院，合肥2300002．中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，绵阳621000摘要：本文提出了一种基于Kriging代理模型的风洞应变天平静态校准方法。采用拉丁超立方设计的试验设

2、计(DOE)方法选取校准加载点，以六分量组合加载技术为支撑，采用一阶回归基函数和EXP关联函数对校准数据构建Kriging模型，以电压信号增量和其他条件变量为自变量，通过Kriging模型对天平所受载荷进行预测。校准结果表明，与传统的OFAT(OneFactoratATime)校准方法相比，该方法具有相同的准度，加载点数量极大减少。将该方法应用于某矢量喷管推力测量天平的校准工作中，以通气流量和天平电压信号增量作为自变量，较好预测了喷管产生的推力，解决了传统校准方法难以克服的通气影响问题。关键词：Kriging模型；试验设计；应变天平；校准；风洞中图分类号：V216文献

3、标识码：A文章编号：1000—6893(2016)12—3685—07风洞模型试验是航空航天飞行器研制过程中非常重要的环节。通过试验可以了解飞行器的气动性能、降低研制风险。而气动性能的获取主要是通过风洞测力试验完成的。风洞天平是风洞测力试验中最重要的测量装置，用以支撑模型并测量作用在模型上的空气动力大小、方向和作用点[1]。风洞天平在使用前需要经过校准，即建立测量信号与所受载荷之间的对应关系。这种关系通常是由静态校准获得。静态校准方法主要涉及加载点的选取、校准技术和数学模型。常用的风洞天平校准方法为OFAT(OneFactoratATime)方法，即在二自由度准体轴系

4、校准台上对天平的各个分量等间距选取加载点，利用人工加载砝码的方式获得力、力矩与对应的电压信号增量数据，建立考虑二次项干扰的27项或增加纯三次项的33项多项式数学模型(简称天平公式)。这种校准方法需要的加载点多，一般有400600个；校准周期长，大约需要一周时间才能完成一台常规六分量测力天平的校准工作；在校准过程中没有充分反映各分量之间的干扰影响，与实际使用情况有一定差距。20世纪80～90年代，欧美等航空强国开始研究基于现代试验设计(ModernDesignofEx—periments，MDOE)的新校准方法[z娟]，并发展了相应的校准设备[7书]，如六分量自动天平校

5、准台、单矢量天平校准台等。他们的研究结果表明，基于MDOE的天平校准方法可以明显减少加载点数量，且精度与传统的校准方法相当。近年来，随着风洞试验技术的发展，天平使用条件变得复杂，天平性能受到其他因素(如温度、收稿日期：2016．01—15；退修日期：2016—01．28；录用日期：2016—03．09；网络出版时间：2016一03．2114：28网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．201603211428．012html基金项目：国家自然科学基金(11372337)*通讯作者Tel：0816—2462105E—mail：50

6、323222@qqcorn引甩格武t翩志勇．苗磊．嗨洋．等，基fKr由mg模型的风瀚应变天平静态校准方法￡Jj．航空学报．2016．37(12)：3685-3691．L

7、UzY．MIAOL．TAOY，etal，Astaticcalibrationmethodofwindtunnelstrain—gagebalancebasedonKrtg~ngmode

8、!JjActaAero—nauticaetAstronauticaSinica，2016，37(12)：3685—3697．航空学报Dec．252016V01．37No．12压力等)[9。1叩影响。在这类天平的校准工作

9、中，需要设置模拟校准环境，并发展新的数学模型以体现其他因素的影响。Landman和Yoder开展了3个温度水平下基于Box-Behnken设计的6分量应变天平校准研究[11

10、，使用包含温度在内的7个自变量构造了包含36项的多项式模型。Keith等[93在他们的天平校准研究中使用了51项的多项式模型拟合包含温度和压力影响的5分量应变天平校准数据。Ulbrich和Volden[1胡开发了用于天平校准数据分析的软件，可以对天平每个分量建立含不同项的多项式模型。国内方面，中国空气动力研究与发展中心的湛华海等设计了一种单矢量风洞天平校准系统口3

11、。中国航空工业