新型四分量片式鉸鏈力矩天平研制與應(yīng)用*

潘華燁,張青川,王樹民

(1 中國科技大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽合肥 230027; 2 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川綿陽 621000)

新型四分量片式鉸鏈力矩天平研制與應(yīng)用*

潘華燁1,2,張青川1,王樹民2

(1 中國科技大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽合肥 230027; 2 中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川綿陽 621000)

受試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃吞炱浇Y(jié)構(gòu)等條件限制,目前高速風(fēng)洞片式鉸鏈力矩天平精準(zhǔn)度不高,而且難以實(shí)現(xiàn)軸向力測量,影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。針對(duì)該問題,設(shè)計(jì)了多柱梁對(duì)稱元件結(jié)構(gòu)以及新型組合式電橋方案,研制出一種可以有效測量軸向力的四分量片式鉸鏈力矩天平,并成功應(yīng)用于某飛機(jī)模型舵面鉸鏈力矩測力試驗(yàn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)結(jié)果表明,該天平精準(zhǔn)度優(yōu)于常規(guī)片式結(jié)構(gòu)三分量片式天平,能有效提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量,有很好的應(yīng)用價(jià)值。

鉸鏈力矩;風(fēng)洞試驗(yàn);風(fēng)洞天平

0 引言

操縱面鉸鏈力矩試驗(yàn)是飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段主要的風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目之一,其目的在于測定飛行器各操縱面的氣動(dòng)力和相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的鉸鏈力矩的大小,為選擇或者設(shè)計(jì)操縱裝置合適的助力器以及設(shè)計(jì)舵面形狀提供依據(jù)[1-2]。

鉸鏈力矩天平是風(fēng)洞鉸鏈力矩測力試驗(yàn)中最核心的裝置,承擔(dān)著測量待測舵氣動(dòng)載荷以及連接待測舵與本體的重任,其品質(zhì)直接決定著試驗(yàn)質(zhì)量好壞甚至試驗(yàn)成敗[3-5]。對(duì)于飛機(jī)模型,天平一般直接固定于機(jī)翼內(nèi)部,受空間限制,天平通常只能采用片式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)中主要考慮天平的放置及安裝問題,精準(zhǔn)度相對(duì)較低,所以,如何設(shè)計(jì)片式天平成為飛機(jī)模型舵面鉸鏈力矩測力試驗(yàn)的瓶頸。長期以來,高速風(fēng)洞片式鉸鏈力矩天平均采用無軸向力(阻力)測量結(jié)構(gòu),忽略天平軸向力測量后,阻力對(duì)法向力以及鉸鏈力矩的干擾無法得到準(zhǔn)確的修正,對(duì)舵面法向力以及壓心位置的準(zhǔn)確測量有較大影響。隨著我國航天航空技術(shù)的發(fā)展,特別是先進(jìn)飛行器研制的開展,對(duì)鉸鏈力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求越來越高,傳統(tǒng)的三分量片式天平已經(jīng)無法滿足部分試驗(yàn)的要求,迫切需要具有更高精準(zhǔn)度的天平[4]。文中依托于某飛機(jī)模型鉸鏈力矩試驗(yàn),研制出一種新型結(jié)構(gòu)帶軸向力測量的四分量片式鉸鏈力矩天平,達(dá)到了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的目的。

1 天平設(shè)計(jì)

1.1 舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)受力分析

目前用于飛機(jī)舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)的片式天平大多是三分量,即測量相對(duì)于天平自身軸系的法向力以及舵面氣動(dòng)力繞鉸鏈軸的鉸鏈力矩和繞天平自身軸線的滾轉(zhuǎn)力矩。新研制的四分量天平就是在三分量的基礎(chǔ)上加入了軸向力測量分量。

進(jìn)行舵面鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)受力分析如圖1所示。假設(shè)在某模型的鉸鏈力矩試驗(yàn)中,天平置于模型機(jī)翼空腔內(nèi),天平校準(zhǔn)中心與鉸鏈軸重合,模型攻角為0°。

圖1 舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)受力分析示意圖

由圖1可以得到舵面載荷和天平測量載荷之間的關(guān)系:

(1)

有軸向力FXt測量情況下,舵面的法向力FNd根據(jù)式(1)計(jì)算,舵面弦向壓心距離L通過下式計(jì)算:

L=Mj/FNd

(2)

式中Mj為鉸鏈力矩。

(3)

則有軸向力和沒有軸向力測量計(jì)算得到的舵面法向力相對(duì)誤差εN以及弦向壓心距離相對(duì)誤差εL為:

(4)

(5)

從受力分析看出,忽略了FXd以后,得到的舵面法向力絕對(duì)值偏小,弦向壓心距離偏大。

1.2 天平研制難點(diǎn)

某飛機(jī)模型鉸鏈力矩測力風(fēng)洞試驗(yàn)是比較典型的舵面鉸鏈試驗(yàn),依托該試驗(yàn)開展新型四分量片式鉸鏈力矩天平的研制具有普遍性意義。根據(jù)測力試驗(yàn)要求,天平研制必須克服以下困難:

1)為更準(zhǔn)確測量舵面的氣動(dòng)載荷,需要加入阻力測量單元。在片式天平設(shè)計(jì)中,各測量單元靈敏度的設(shè)計(jì)是相互影響和制約的,幾何外形也受到很大限制,如何平衡各測量元之間的輸出以及干擾是一大難點(diǎn),加入阻力測量單元,勢必加劇這一問題。

2)待測舵面位于機(jī)翼末端,展向尺寸380 mm,最厚處厚度只有10 mm,展向尺寸長而且薄,天平必須具有較大展向尺寸,若天平尺度過小,舵面將產(chǎn)生較大的滾轉(zhuǎn)變形,與實(shí)際不符,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤差大而且無法修正[3]。而當(dāng)前大尺度片式鉸鏈力矩天平普遍存在由于無法克服連接應(yīng)力和翹曲變形影響,精準(zhǔn)度較低,一般低于1%。

3)試驗(yàn)馬赫數(shù)從0.4到0.8,與低速風(fēng)洞相比,天平需要測量更大的載荷。在低速風(fēng)洞中曾經(jīng)采用過軸向力單獨(dú)設(shè)計(jì)的四分量鉸鏈力矩天平[4],但是該結(jié)構(gòu)天平沿軸向尺寸較大,剛度較弱,因而舵面變形大,天平和模型之間需要更大的間隙,造成試驗(yàn)難度加大以及試驗(yàn)攻角范圍縮減。所以此次必須采用新的結(jié)構(gòu)。

4)片式鉸鏈力矩天平受結(jié)構(gòu)限制,天平所受載荷極不匹配,通常造成天平法向力測量輸出小,分辨率低。此外,按照常規(guī)方法設(shè)計(jì)的天平一端固定于機(jī)翼,中間是測量元件,另一端連接舵面,天平元件的幾何中心到舵面轉(zhuǎn)軸的距離較遠(yuǎn),一般幾倍于舵面壓心到鉸鏈軸的距離,因此舵面氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的附加力矩遠(yuǎn)大于舵面相對(duì)于鉸鏈軸的鉸鏈力矩,所以在保證天平具有足夠的靈敏度前提下,還要盡可能使天平幾何中心靠近鉸鏈軸,以減小附加力矩的干擾。

綜上,必須設(shè)計(jì)出大尺度、大載荷、高精準(zhǔn)度并含有軸向力測量單元的片式結(jié)構(gòu)鉸鏈力矩天平才能達(dá)到目的,設(shè)計(jì)難度很大。

1.3 四分量鉸鏈力矩天平設(shè)計(jì)

針對(duì)以上困難,在經(jīng)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,使用Unigraphics以及Ansys/Mechanical軟件進(jìn)行了大量的仿真和優(yōu)化[6],實(shí)驗(yàn)了多種方案,成功設(shè)計(jì)出如圖2所示的結(jié)構(gòu),滿足了試驗(yàn)要求。

圖2 四分量鉸鏈力矩天平

該天平具有以下特點(diǎn):

1)多柱梁對(duì)稱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的片式天平都是通過片梁的彎曲變形來測量舵面的升力和鉸鏈力矩,由于附加力矩較大,天平各測量單元輸出差距大,靈敏度難以匹配,結(jié)構(gòu)很難變動(dòng)。此次設(shè)計(jì)中改變了以往的結(jié)構(gòu),使用對(duì)稱布局的3對(duì)矩形梁結(jié)構(gòu)完成對(duì)4個(gè)分量的測量,其中鉸鏈力矩通過柱梁的扭轉(zhuǎn)變形來測量,法向力、滾轉(zhuǎn)力矩以及軸向力通過柱梁的彎曲變形來測量。該方案不用單獨(dú)設(shè)置軸向力測量元件,天平結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,靈敏度匹配合理,受載應(yīng)變輸出均勻,很好的解決了載荷難以匹配的問題。因?yàn)槭侵航Y(jié)構(gòu)作為測量元件,也避免了片式天平難以克服翹曲和連接應(yīng)力的問題。

2)采用雙固支超靜定結(jié)構(gòu)連接方案

新結(jié)構(gòu)天平用一整塊高強(qiáng)度金屬材料制成,天平橫向兩端分別與支撐模型(機(jī)翼)固連,天平中部設(shè)計(jì)了連接段與被測模型(舵面)連接(圖4)。與傳統(tǒng)三分量天平(圖3)相比,該方案中天平和舵面的連接部分與天平元件幾何中心基本處于同一弦向位置上,天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離只有15 mm,而按照常規(guī)設(shè)計(jì)一般需要在30 mm以上,最大限度的縮短了鉸鏈軸與天平中心的距離,有效的減小了天平的附加力矩。同時(shí),天平支撐更加穩(wěn)固,天平與舵面的連接剛度有一定提高,有效的解決了常規(guī)片式天平連接剛度弱的問題。

圖3 傳統(tǒng)三分量片式天平安裝示意圖

圖4 四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

圖5 應(yīng)變計(jì)粘貼示意圖

3)新型組橋方案

根據(jù)天平結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測量方式,設(shè)計(jì)了組合電橋測量方案,如圖5所示。其中M1～M6是惠斯通電橋,數(shù)字編號(hào)表示應(yīng)變計(jì)(括弧中的編號(hào)表示下對(duì)稱位置),Y、Mj、Mx、X分別表示升力、鉸鏈力矩、滾轉(zhuǎn)力矩和軸向力。應(yīng)變計(jì)全部使用300 Ω阻值的專用箔式應(yīng)變計(jì),根據(jù)電橋的電流限制,M1～M4供電10 V,M5和M6供電5 V。

采用組合電橋測量方案,不僅可以有效提高法向力和滾轉(zhuǎn)力矩單元的輸出,便于各單元輸出平衡,還可以抵消鉸鏈力矩對(duì)升力和滾轉(zhuǎn)力矩的干擾以及法向力和鉸鏈力矩相互之間的干擾。在該種方案中沒有對(duì)軸向力單元和鉸鏈力矩單元進(jìn)行組合,主要是因?yàn)殂q鏈力矩單元的輸出已經(jīng)足夠大,而軸向力主要作為修正量,首先應(yīng)保證鉸鏈力矩的測量。

2 天平靜校

新型四分量天平在BCL-2000準(zhǔn)體軸系校準(zhǔn)架上使用專用加載裝置進(jìn)行了靜態(tài)校準(zhǔn)[7-8],并將天平固定端連接至機(jī)翼進(jìn)行了加載檢驗(yàn),校準(zhǔn)及加載結(jié)果見表1。其中,設(shè)計(jì)載荷是根據(jù)測量舵面最大計(jì)算載荷加上最大可能誤差給出,平均應(yīng)變是通過有限元計(jì)算得到的在施加最大設(shè)計(jì)載荷時(shí)天平上相關(guān)應(yīng)變計(jì)位置處的應(yīng)變平均值,實(shí)際最大輸出是在施加天平設(shè)計(jì)載荷時(shí),組合電橋輸出與零載荷時(shí)的差值。機(jī)翼加載誤差是對(duì)于加載真值的相對(duì)誤差,用于檢驗(yàn)天平、天平計(jì)算公式以及整套測量系統(tǒng)的綜合誤差。從結(jié)果可以看出,各單元的輸出都比較理想,較常規(guī)三分量片式天平,Mx的輸出變化不大,但是法向力的輸出信號(hào)得到了有效增強(qiáng),X作為修正量其輸出也是足夠的,此外,天平綜合校準(zhǔn)的精準(zhǔn)度也優(yōu)于大部分常規(guī)三分量片式天平[9]。將天平安裝于機(jī)翼時(shí),由于超靜定結(jié)構(gòu)影響,天平的初讀數(shù)有了一定變化,但是天平加載結(jié)果正常,基本不受影響。

表1 天平設(shè)計(jì)載荷參數(shù)和靜校結(jié)果

3 風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

某型飛機(jī)舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)于2013年8月在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的FL-26跨聲速風(fēng)洞完成,圖6是天平安裝在飛機(jī)模型上的照片(未裝蓋板)。從圖中可以看到下端的四分量天平與上端的傳統(tǒng)三分量天平的對(duì)比,很明顯,新型四分量天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離要小于三分量天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離。

圖6 天平安裝圖

圖7給出了3次重復(fù)性試驗(yàn)的對(duì)比曲線,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,舵面法向力系數(shù)和鉸鏈力矩系數(shù)的試驗(yàn)重復(fù)性很好,曲線規(guī)律正常。所以,天平的測量結(jié)果是可靠的[10]。

圖7 天平測量數(shù)據(jù)重復(fù)性曲線(Ma=0.7,α=20°)

圖8 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線

圖8是采用式(1)、式(2)和式(3)分別進(jìn)行計(jì)算得到的對(duì)比曲線圖,可以看出,在天平不測量軸向力時(shí),得到的舵面法向力偏小,弦向壓心距離絕對(duì)值偏大,而且εN和εL與模型迎角無關(guān)。在表2中給出了20°舵面在不同馬赫數(shù)下的最大|εN|和|εL|,2個(gè)相對(duì)誤差都隨著馬赫數(shù)的升高而變大,最大相對(duì)誤差超過3%,可見,天平加入軸向力測量是有必要的。

表2 不同馬赫數(shù)下的最大|εN|和|εL|

4 結(jié)論

依托某飛機(jī)模型鉸鏈力矩試驗(yàn)研制了一種新型四分量片式鉸鏈力矩天平,通過天平研制以及靜態(tài)校準(zhǔn)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得到以下結(jié)論:

1)新型天平的研制非常成功。不僅可以有效測量軸向力,而且具有結(jié)構(gòu)合理、靈敏度高、性能穩(wěn)定、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn),完全滿足試驗(yàn)要求。

2)與傳統(tǒng)片式天平相比,新天平結(jié)構(gòu)緊湊,極大的減小了天平的附加力矩,與模型的連接方式更加穩(wěn)固可靠,采用的組合電橋方案有效的提高了天平的輸出信號(hào),使得天平靈敏度的匹配更加容易。新型天平的研制成功為片式鉸鏈力矩天平設(shè)計(jì)提供了一種全新的參考,可以推廣用于其他鉸鏈力矩試驗(yàn),能有效提升試驗(yàn)質(zhì)量。

3)對(duì)于高馬赫數(shù)大角度舵面試驗(yàn),軸向力測量對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響較大,非常有必要在測力天平中加入軸向力測量單元。

[1] 王發(fā)祥. 高速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[2] 李周復(fù). 風(fēng)洞特種試驗(yàn)技術(shù) [M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2010.

[3] 熊琳, 劉展, 陳河梧. 舵面天平技術(shù)及其在高超聲速風(fēng)洞的應(yīng)用研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2007, 21(3): 55 -57.

[4] 劉喜賀, 王天昊, 邱俊文, 等. 四分量片式鉸鏈力矩天平技術(shù)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2011, 25(2): 88-91.

[5] 陳麗, 趙協(xié)和, 劉維亮, 等. 提高測量最大鉸鏈力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的有效模擬技術(shù)研究 [J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量, 2002, 16(3): 51-56.

[6] 彭云, 謝新躍. 虛擬樣機(jī)與天平研制 [J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量, 2004, 18(3): 83-87.

[7] 孔德永, 吳桂馥. 舵面鉸鏈力矩的估算 [J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 23(2): 263-266.

[8] 白靜, 解亞軍. 風(fēng)洞翼型天平校準(zhǔn)技術(shù) [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 169-172.

[9] 賀德馨. 風(fēng)洞天平 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[10] 張平, 趙長輝, 劉博宇. 套筒式張線天平研制 [J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(4): 101-104.

Development and Application of a Novel Four Components Plate Type Hinge Moment Balance

PAN Huaye1,2,ZHANG Qingchuan1,WANG Shumin2

(1 Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China; 2 China Aerodynamics Research and Development Centre, Sichuan Mianyang 621000, China)

By the limitation of the testing model and balance structure, wind tunnel balance’s precision and accuracy is lower, and it’s hard to measure axial force of the control flap in high wind tunnel testing, so the quality of the testing data can be influenced. For solving this question, multi-beam symmetrical structure and a new combined bridge scheme had been designed, finally, a novel four components plate type hinge moment balance had been completed, which can measure axial force efficacious and was used in certain airplane model control flap hinge moment testing successfully. The calibration results and the test data shows that the balance’s precision and the accuracy is better than normal three components plate type hinge moment balance, use such type of balance can increase the quality of the testing data efficiently which has good application value.

hinge moment; wind tunnel testing; wind tunnel balance

2014-03-30

潘華燁(1982-),男,甘肅臨洮人,工程師,碩士,研究方向:風(fēng)洞天平研制與應(yīng)用。

TH715.1;V211.74

A