套筒式張線天平的研制

張 平，趙長輝，劉博宇

（中國航空工業(yè)空氣動力研究院，沈陽 110034）

0 引 言

在高速風(fēng)洞中，全機測力試驗主要采用尾支撐及腹部支撐。由于空氣動力學(xué)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了特種布局形式的飛機，單純的尾支撐及腹支撐已不能滿足風(fēng)洞試驗的需要［1－2］。近年來，國內(nèi)風(fēng)洞發(fā)展了一種新型的全機測力模型支撐——張線支撐［3－4］。該支撐具有剛度大、干擾小、適應(yīng)性強等優(yōu)點，特別適用于帶有大船尾角后體等特種布局飛機的全機測力試驗。由于中航氣動院FL－2高速風(fēng)洞試驗段尺寸的限制，張線天平的可用空間較小。因此，在張線支撐系統(tǒng)中，張線天平的研制非常關(guān)鍵。為此，筆者設(shè)計了一種套筒結(jié)構(gòu)形式的天平，較好地保證了天平的整體剛度，滿足了民機張線測力試驗的特殊要求。

為滿足民機張線測力試驗的特殊要求，中航氣動院FL－2風(fēng)洞研制了一套高速民機張線支撐系統(tǒng)，其張線與水平面的夾角達到64.5°，迎角變化范圍為±18°。此次試驗所用標準模型是在GBM－01標模的基礎(chǔ)上改造而成，馬赫數(shù)范圍為0.5～0.9，試驗迎角范圍為－4°～8°。

1 天平設(shè)計

1.1 天平方案選擇

根據(jù)民機張線測力試驗的特殊要求，天平在進行方案設(shè)計時選用了兩種形式：一種為套筒結(jié)構(gòu)形式，另一種為常規(guī)懸臂梁環(huán)狀結(jié)構(gòu)形式［5］。

套筒結(jié)構(gòu)形式的張線天平具有以下特點：

（1）由于天平元件主要采用拉壓變形形式，因此天平變形較小，天平剛度較強。

（2）天平內(nèi)桿兩端與8根張線拉桿相連接，天平外套筒與模型內(nèi)腔相連結(jié)，因此天平的連接較牢固。

（3）由于天平的外套筒和內(nèi)桿通過焊接相連接，因此對天平的加工工藝及焊接工藝要求較高。天平的加工成本較高。

常規(guī)懸臂梁環(huán)狀結(jié)構(gòu)形式的張線天平具有以下特點：

（1）由于天平元件主要采用彎曲變形形式，因此天平變形較大，天平剛度相對較弱。

（2）天平一端通過天平內(nèi)桿與8根張線拉桿相連接，天平另一端與模型內(nèi)腔相連結(jié)。由于天平軸向尺寸的限制，兩端的連接尺寸較短。因此天平的連接相對較弱。

（3）由于天平采用常規(guī)的元件形式，因此天平的加工成本較低。

張線支撐的模型在試驗過程中，當(dāng)給定迎角時，要求其姿態(tài)角的變化盡量小，而模型姿態(tài)角的變化主要來自天平受載產(chǎn)生的彈性變形。常規(guī)懸臂梁式天平由于結(jié)構(gòu)形式的局限性，必將產(chǎn)生相對較大的彈性變形，這與民機張線測力試驗的要求相矛盾。因此，采用套筒結(jié)構(gòu)形式的天平為好。在理想情況下，可以認為縱向載荷在天平元件處產(chǎn)生拉壓變形，而拉壓變形所形成的線位移較小，這樣就滿足了模型姿態(tài)角變化盡量小的要求，既可以節(jié)省模型內(nèi)部空間又能承擔(dān)更大的載荷。同時，張線天平與支撐機構(gòu)及模型內(nèi)腔連接面積的相對增加，也有利于天平可靠連接。從理論計算上，套筒結(jié)構(gòu)形式的天平各分量的應(yīng)變輸出也較合理。

1.2 天平結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于中航氣動院FL－2高速風(fēng)洞實驗段尺寸的限制，張線天平的結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，但天平所受載荷較大。因此，天平設(shè)計必須克服尺寸小但載荷較大的矛盾，如何有效保證天平外套筒和內(nèi)桿的剛度及其連接處的剛度，將是張線天平設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素，天平設(shè)計難度較大。

圖1 天平實物圖Fig.1 The photo of balance

以前曾經(jīng)結(jié)合某工程設(shè)計了一臺張線天平如圖1所示。由于模型尺寸限制，該天平采用套筒變截面結(jié)構(gòu)形式，外套筒和內(nèi)桿采用電子束焊接，中間錐度部分連接模型，兩端通過球鉸與8根張線連接，法向力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩、橫向力、偏航力矩均采用拉壓梁式結(jié)構(gòu)（其中軸向力為“S”形變形結(jié)構(gòu)），共12片梁，12片梁的支撐端為懸臂梁，天平內(nèi)桿較細，張線連接件安裝在天平內(nèi)桿兩端，所以天平內(nèi)桿實際是兩端鉸支的。經(jīng)校準發(fā)現(xiàn)該天平存在諸多問題：一是天平各分量回零較差；二是天平各分量之間干擾較大；三是天平各分量靈敏度較低，特別是法向力及橫向力輸出較小。以上3種原因造成天平精度較低，無法用于風(fēng)洞試驗。分析其原因，此天平主要有以下幾點不足，造成靈敏度降低，干擾增大：（1）天平元件在天平外套上，這就要求天平外套要有一定的厚度，而天平外套元件處的最小直徑為φ38mm，這就使此處天平內(nèi)桿的直徑只有φ24mm，造成天平內(nèi)桿剛度較弱，天平內(nèi)桿在載荷作用下產(chǎn)生較大變形，帶動天平元件變形；（2）天平受載后天平鉸接端處存在摩擦力，使內(nèi)桿變形后不能完全復(fù)原；（3）元件支撐梁為懸臂梁且剛度較弱，變形后造成拉壓元件產(chǎn)生彎曲變形，將拉壓變形抵消；（4）外套筒和內(nèi)桿是在端部焊接在一起的，焊接工藝性較差，若焊接有缺陷會造成天平不回零，但這種缺陷無法檢測。造成天平不回零的原因可能還有張線連接球摩擦力較大，張線連接位置離天平元件較近等原因。

結(jié)合民機張線測力試驗設(shè)計了一臺全新的張線天平如圖2所示?？紤]到天平整體剛度的要求，在模型設(shè)計時，經(jīng)反復(fù)協(xié)調(diào)，將布置天平的結(jié)構(gòu)內(nèi)腔加到最大允許范圍。而有些因素如實驗段張線機構(gòu)已經(jīng)無法改變，因此只能在天平元件結(jié)構(gòu)形式上尋求突破。該天平采用套筒等截面結(jié)構(gòu)形式，外套筒和內(nèi)桿采用電子束焊接，中間錐度部分連接模型，兩端通過球鉸與8根張線連接，在天平結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通過對原張線天平精度低的分析，借鑒浮框式天平的特點做了如下創(chuàng)新：（1）將天平元件都布置在外套筒上，外套筒元件處的直徑設(shè)計為φ58mm，法向力、俯仰力矩、滾轉(zhuǎn)力矩、橫向力、偏航力矩元件布置在兩端，共4片梁，其中法向力、俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩為拉壓變形，橫向力和偏航力矩為“S”形變形，元件處支撐部分由受彎曲變形改為受拉壓變形且剛度較強，同時也減小了切削量，軸向力元件布置在外套筒中間，其為彎曲變形，這樣布置大大提高了外套筒的整體剛度；（2）天平內(nèi)桿是直徑為φ44mm的實芯粗軸，其上沒有布置天平元件，這樣就大大提高了內(nèi)桿的整體剛度；（3）加大了天平外套元件之間的距離，將其盡可能布在遠離天平與模型連接處及天平與8根張線拉桿連接處，以減小天平與模型連接處殘余應(yīng)力對天平外套元件的影響，同時也減小了張線連接球處摩擦力對天平可能造成的影響；（4）外套筒和內(nèi)桿通過楔塊在楔塊端部焊接在一起，焊接工藝性好，此種焊接方法容易保證焊接質(zhì)量；（5）天平外套與模型采用1∶50錐度連接，此連接方式可靠。通過正反楔子拉緊及退出連接。

圖2 天平結(jié)構(gòu)圖Fig.2 3Ddiagram of wired balance

在完成天平結(jié)構(gòu)設(shè)計后，通過有限元分析對天平各分量進行了應(yīng)變計算，在法向力作用下，天平元件側(cè)面中部平均應(yīng)變約為438×10－6，實測值為460×10－6（見圖3）；在俯仰力矩作用下，天平元件側(cè)面中部平均應(yīng)變約為240×10－6，實測值為260×10－6（見圖4），從中可以看出計算結(jié)果與天平實際輸出較吻合。

圖3 法向力作用下天平應(yīng)變云圖Fig.3 Balance strain contour applied normal force

圖4 俯仰力矩作用下天平應(yīng)變云圖Fig.4 Balance strain contour applied pitching moment

1.3 天平元件計算

天平在法向力作用下，元件應(yīng)變按拉壓變形計算。

天平在俯仰力矩作用下，元件應(yīng)變按拉壓變形計算。

天平在滾轉(zhuǎn)力矩作用下，元件應(yīng)變按拉壓變形計算。

天平在軸向力作用下，元件應(yīng)變按彎曲變形計算。

天平在橫向力作用下，元件應(yīng)變按“S”形變形計算。

天平在偏航力矩作用下，元件應(yīng)變按“S”形變形及扭轉(zhuǎn)變形計算。

天平各分量具體計算結(jié)果見表1。

表1 天平設(shè)計參數(shù)與靜校精準度Table 1 Design parameters and the calibration precision and accuracyof balance

天平材料選用F141，強度校核時，分別對天平元件處及天平最小直徑處的截面進行了詳細計算，其結(jié)果均在［σ許］范圍以內(nèi)，天平強度滿足要求。

天平結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

2 天平靜校結(jié)果

張線天平外形尺寸雖然較大，但天平元件處應(yīng)變計的數(shù)量較集中且粘貼應(yīng)變計所用空間尺寸較小，因此天平供橋電壓不宜太高。天平各分量均采用4片應(yīng)變計組橋，供橋電壓為5V，各分量的最大輸出見表1。

張線天平完成應(yīng)變計粘貼后，在BACS1500校正臺上完成了地軸單元校準。校準時，將張線天平內(nèi)桿通過8根張線固定在校正臺支架上，天平外套安置于加載頭內(nèi)。

天平各分量的零點漂移均在各分量最大輸出的0.1%以內(nèi)，綜合校準精度優(yōu)于0.06%，綜合校準準度優(yōu)于0.5%，其結(jié)果見表1。

3 風(fēng)洞試驗結(jié)果

下面是馬赫數(shù)為0.6時，采用張線天平進行3次重復(fù)性試驗的數(shù)據(jù)。從試驗結(jié)果看，天平及張線支撐系統(tǒng)剛度好，法向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。與國內(nèi)GBM－01標模統(tǒng)一試驗數(shù)據(jù)比較，趨勢一致，量值接近。因此，該天平的測量結(jié)果是可信的。天平測力曲線見圖6。

圖5 天平結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of balance structure

圖6 天平測力曲線Fig.6 Balance measurement curve

4 結(jié) 論

（1）張線天平是中航氣動院第一臺通過靜校檢驗合格并用于高速試驗的套筒式天平。它具有結(jié)構(gòu)合理，靈敏度高，性能穩(wěn)定，精準度高等特點。天平的研制是成功的；

（2）張線天平連接可靠，天平整體剛度較常規(guī)天平有較大提高，為民機張線測力試驗提供了保障；

（3）張線天平的成敗關(guān)鍵在于把好焊接工藝這一關(guān)，實踐證明國內(nèi)的焊接工藝已達到較高水平。此天平成功研制為國內(nèi)同類天平設(shè)計提供了一定的借鑒。

［1］ 惲起麟.風(fēng)洞實驗［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

［2］ 范潔川主編.風(fēng)洞試驗手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002.

［3］ 王世紅，楊希明.FL－2風(fēng)洞民機實驗技術(shù)研究［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2005，（6）：30－32.

［4］ 卞於中，李祥瑞，李立，等.低速閉口風(fēng)洞模型張線支撐及內(nèi)天平測量系統(tǒng)的研制［J］.流體力學(xué)實驗與測量，1999，13（3）：85－90.

［5］ 賀德馨主編.風(fēng)洞天平［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.