槳葉根部段靜強(qiáng)度試驗(yàn)控制方法研究

陳淑平,曹發(fā)勝

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

槳葉根部段靜強(qiáng)度試驗(yàn)控制方法研究

陳淑平,曹發(fā)勝

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

槳葉根部段靜強(qiáng)度試驗(yàn)力控制方案中，由于各通道力載荷間存在交叉耦合現(xiàn)象，造成各方向作動器施加力載荷與試件實(shí)際受載情況不一致，試驗(yàn)過程中需要對各通道控制載荷進(jìn)行修正計(jì)算，存在試驗(yàn)周期長，無法保證等比例加載等缺點(diǎn)。針對上述問題，選取某直升機(jī)復(fù)合材料槳葉根段結(jié)構(gòu)，以其真實(shí)受載情況作為分析對象，以應(yīng)變作為控制參數(shù)，在揮舞、擺振通道引入應(yīng)變控制方式，提出力控制和應(yīng)變控制相結(jié)合的聯(lián)合控制方案。通過對兩種控制方案進(jìn)行對比試驗(yàn)，得出結(jié)論：新方案控制參數(shù)穩(wěn)定可靠，可有效縮短試驗(yàn)周期，并能解決各級應(yīng)變非等比例加載問題，可為以后同類型試驗(yàn)的控制工作提供參考。

槳葉根部段；靜強(qiáng)度試驗(yàn)；耦合；應(yīng)變控制；聯(lián)合控制

0 引言

槳葉根部零組件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承擔(dān)著將槳葉上所有載荷傳遞到槳轂上的任務(wù)，是槳葉受力狀態(tài)最復(fù)雜的部位[1]，其靜強(qiáng)度是直升機(jī)研制過程中必須要研究的問題。

槳葉根部自重較小，故載荷設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)忽略其自身重力的影響，僅考慮離心力、揮舞彎矩和擺振彎矩3種載荷[2]?，F(xiàn)行力控制方案試驗(yàn)過程中，各通道施加的力載荷間存在交叉耦合現(xiàn)象，作動器施加載荷(載荷譜)與試件真實(shí)受載不一致，造成按理論力載荷譜加載時(shí)每級載荷下對應(yīng)的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變值誤差較大。基于上述因素，結(jié)合各剖面應(yīng)變與彎矩的關(guān)系，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將應(yīng)變(而非各通道施加的力載荷)作為彎矩考核的依據(jù)。而為達(dá)到應(yīng)變測量要求，力控制方案需要對各載荷級數(shù)下的力控制載荷進(jìn)行修正，以保證其對應(yīng)的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變接近或相等。針對上述問題，應(yīng)尋求一種更有效的控制參數(shù)，該參數(shù)位于耦合效應(yīng)終端，能反映試件的真實(shí)受載情況，且試驗(yàn)人員可以直接獲取。應(yīng)變控制以試件各方向應(yīng)變橋路的輸出結(jié)果作為控制參數(shù)，而應(yīng)變值反映的是試件在當(dāng)前載荷下的真實(shí)受載情況，因此有效避開了耦合效應(yīng)對試驗(yàn)控制產(chǎn)生的困擾，且能保證按各級應(yīng)變等比例加載。

1 試驗(yàn)概述

選取某型機(jī)復(fù)合材料槳葉根部段為研究對象，確定直升機(jī)槳葉根部段的使用載荷，考核剖面為0剖面[3]，各載荷方向定義見圖1。

如圖1所示，在槳葉根段規(guī)定剖面處粘貼揮舞、擺振測試應(yīng)變片，同時(shí)在試件上沿軸線方向布置軸向力測試應(yīng)變片，并對擺振測試應(yīng)變片進(jìn)行物理解耦。

圖1中備用剖面應(yīng)布置在槳葉根段最不易破壞的部位，且與加載夾具保持適當(dāng)?shù)木嚯x，主要應(yīng)用在聯(lián)合控制方案中。

1.1試驗(yàn)標(biāo)定

正式試驗(yàn)前，先進(jìn)行揮舞、擺振彎矩標(biāo)定，得出揮舞載荷-應(yīng)變、擺振載荷-應(yīng)變擬合曲線，其標(biāo)定方程見表1。表1中，x為力，單位為N；y為應(yīng)變，單位為με。

其中，試件揮舞、擺振方向的標(biāo)定載荷應(yīng)結(jié)合試件設(shè)計(jì)載荷和變形情況制定，標(biāo)定方程則應(yīng)根據(jù)對應(yīng)通道的控制方式設(shè)置為力-應(yīng)變或彎矩-應(yīng)變。

表1 標(biāo)定方程

1.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)梁彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力計(jì)算公式[4]，見式(1)，結(jié)合彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系——胡克定律，見公式(2)，將式(2)帶入式(1)可得出揮舞、擺振應(yīng)變計(jì)算公式(3)。其中，E為材料的彈性模量。

對于某一被測剖面指定位置處粘貼的應(yīng)變片，h、I為定值，結(jié)合公式(3)，可知其應(yīng)變輸出與彎矩成正比。因此，可依據(jù)某方向應(yīng)變輸出值檢驗(yàn)對應(yīng)方向彎矩是否達(dá)到指定值。

1.3試驗(yàn)判據(jù)

試驗(yàn)前，根據(jù)設(shè)計(jì)載荷、結(jié)合表1中的標(biāo)定方程，計(jì)算出槳葉根段各剖面每級載荷下的揮舞、擺振理論應(yīng)變值，并以1剖面的實(shí)測應(yīng)變值達(dá)到理論應(yīng)變值作為試驗(yàn)判據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

槳葉根部段靜強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載控制系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、載荷/應(yīng)變傳感器、測量系統(tǒng)、槳葉根部段等部分組成，原理框圖如圖2所示[5]。其中，加載控制系統(tǒng)主要包括主控計(jì)算機(jī)、控制單元和控制軟件，具備參數(shù)設(shè)置、載荷譜編制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、多通道協(xié)調(diào)加載、試驗(yàn)安全保護(hù)等功能。

整個試驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程為：主控計(jì)算機(jī)按照編制好的試驗(yàn)載荷譜對控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令，加載控制系統(tǒng)將控制命令和載荷/應(yīng)變傳感器反饋值進(jìn)行比較，控制單元根據(jù)該比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電流值驅(qū)動液壓伺服系統(tǒng)對試驗(yàn)件進(jìn)行加載，載荷應(yīng)變傳感器再將當(dāng)前值反饋到控制系統(tǒng)端，該過程重復(fù)進(jìn)行，直至控制命令與傳感器反饋值接近或相等。

3 力控制方案

每個控制通道均采用力控制模式，即在控制系統(tǒng)中將離心力、揮舞、擺振三個通道的反饋信號均設(shè)置為力傳感器信號。

3.1方案描述

力控制方案中，槳葉根段受載情況原理框圖見圖3。圖中，F(xiàn)x,Fy,Fz為作動器在對應(yīng)通道施加的載荷；FLXL、FHW、FBZ是槳葉根段在對應(yīng)方向的實(shí)際受載。εx、εy、εz分別為1剖面離心力、揮舞、擺振方向應(yīng)變橋路輸出值，vx、vy、vz則為這三個方向?qū)?yīng)的位移輸出值。

各通道間耦合關(guān)系見式(4)，式中，λij(i=x…z，j=x…z)為Fi載荷在j方向的耦合影響系數(shù)，該值會隨試件變形的改變而變化。

因離心力載荷較大，試驗(yàn)時(shí)忽略揮舞、擺振載荷對它的影響，僅在揮舞、擺振兩個方向考慮耦合現(xiàn)象。結(jié)合式(3)，可得出揮舞、擺振方向輸出應(yīng)變與各通道施加載荷間的對應(yīng)關(guān)系，見下式。

由式(5)可知，力控制方案中，各考核剖面揮舞、擺振橋路輸出應(yīng)變與對應(yīng)通道施加載荷并非呈一次線性，而是與各通道載荷均相關(guān)。

3.2試驗(yàn)實(shí)施與載荷修正

由于交叉耦合效應(yīng)，揮舞、擺振方向各級理論力載荷下的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變存在較大誤差，試驗(yàn)過程中需要對該兩方向的力載荷進(jìn)行修正?；诠?5)中λ值為變值，現(xiàn)階段載荷修正計(jì)算方法很大程度上是憑工程經(jīng)驗(yàn)確定，采用如下步驟④的方法。力控制方案中，試驗(yàn)實(shí)施與載荷修正過程如下：

① 按照試驗(yàn)要求，根據(jù)使用載荷、設(shè)計(jì)載荷編制理論力載荷譜；

② 結(jié)合理論力載荷譜，根據(jù)各剖面揮舞、擺振標(biāo)定方程計(jì)算出各剖面理論應(yīng)變譜；

③ 按照力載荷譜進(jìn)行相應(yīng)工況試驗(yàn)；

④ 根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)得出揮舞(擺振)力-應(yīng)變(F-ε)一次、二次線性擬合方程，并配以一定的加權(quán)系數(shù)λ1、λ2，得出載荷修正公式，如式(6)所示。式中，λ1與λ2之和為1，ε為理論應(yīng)變。

根據(jù)公式(6)，將修正后的揮舞、擺振力載荷值F′錄入控制載荷譜，重復(fù)步驟③、④，直至考核剖面各級載荷下的揮舞、擺振橋路實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變接近或相等。

4 力控制與應(yīng)變控制聯(lián)合控制方案

4.1方案描述

因離心力載荷>>揮舞(擺振)載荷，試驗(yàn)時(shí)忽略揮舞、擺振通道及試件變形的影響，其控制方式仍設(shè)置為力控；揮舞、擺振通道采用應(yīng)變控制方式。

圖4所示為應(yīng)變控制方式下?lián)]舞、擺振通道工作原理框圖。如圖中所示，揮舞、擺振控制通道均設(shè)置3路輸入信號，2路為應(yīng)變信號，1路為力信號。應(yīng)變信號設(shè)置2路的目的是當(dāng)1剖面應(yīng)變橋路輸出信號異常時(shí)，可以將反饋信號及時(shí)切換到備用剖面相應(yīng)橋路輸出，以最大程度地避免因控制信號異常而引起的系統(tǒng)失控。力信號設(shè)置的主要目的為監(jiān)控當(dāng)前力載荷，并便于通過力控進(jìn)行試驗(yàn)安裝和試驗(yàn)調(diào)試，正式試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)變控制。

試驗(yàn)前，先進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，得出揮舞彎矩-應(yīng)變、擺振彎矩-應(yīng)變、1剖面應(yīng)變-備用剖面應(yīng)變線性擬合方程，并將備用剖面應(yīng)變根據(jù)擬合方程換算至1剖面相同位階。

4.2可行性分析

相較于力傳感器信號，應(yīng)變信號更易受外界因素影響，一旦應(yīng)變輸出信號異常，控制系統(tǒng)必須具備相應(yīng)的異常信號檢測及處理功能，否則將會引起系統(tǒng)失控。因此，必須對應(yīng)變控制方式進(jìn)行可行性分析，并制定詳細(xì)的試驗(yàn)執(zhí)行方案。下面主要從應(yīng)變片粘貼和試驗(yàn)安全保護(hù)兩個方面對應(yīng)變控制的可行性進(jìn)行分析。

應(yīng)變片粘貼：為保證應(yīng)變片橋路輸出信號穩(wěn)定可靠，應(yīng)按應(yīng)變片粘貼規(guī)范對應(yīng)變片粘貼質(zhì)量提出嚴(yán)格要求，并對應(yīng)變片與測試導(dǎo)線連接點(diǎn)進(jìn)行焊接固定。

試驗(yàn)安全保護(hù)：為保證試驗(yàn)安全，當(dāng)用作反饋信號的應(yīng)變橋路出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)先判斷試件是否破壞，并根據(jù)判斷結(jié)果分別執(zhí)行如下動作：

1) 試件破壞，破壞瞬間力載荷會發(fā)生較大變化，會直接觸發(fā)系統(tǒng)力載荷誤差保護(hù)事件：Station Interlock，卸載系統(tǒng)壓力并將載荷卸載至0；

2) 試件未破壞，而僅僅是該橋路中的應(yīng)變片損壞，此時(shí)應(yīng)變片橋路輸出異常，輸出為滿量程值或變化幅度較大的應(yīng)變信號，會直接觸發(fā)系統(tǒng)相應(yīng)的通道應(yīng)變極限保護(hù)或誤差保護(hù)事件:Mode Switch,將其反饋信號由1剖面切換至備用剖面對應(yīng)橋路。同時(shí)，應(yīng)在上述異常信號處理方案的基礎(chǔ)上采取人工干預(yù)，根據(jù)當(dāng)前載荷狀態(tài)選擇不同的應(yīng)對方案：①當(dāng)前載荷≤使用載荷時(shí)，應(yīng)執(zhí)行載荷卸載命令，修復(fù)或替換1剖面損壞應(yīng)變片；②當(dāng)前載荷≥設(shè)計(jì)載荷時(shí)，應(yīng)繼續(xù)加載直至考核載荷或試件破壞。

綜合以上內(nèi)容，通過控制應(yīng)變片粘貼質(zhì)量和采取合理的異常信號處理方法，該方案切實(shí)可行。

5 試驗(yàn)結(jié)果對比

表2、表3分別為揮舞、擺振方向在兩種控制方案下的試驗(yàn)結(jié)果。表中，揮舞力、擺振力為作動器在對應(yīng)方向施加的載荷。

表2 兩種控制方案下?lián)]舞載荷及應(yīng)變輸出

表3 兩種控制方案下擺振載荷及應(yīng)變輸出

通過分析兩表中的數(shù)據(jù)可知，力控制方案中，雖對揮舞、擺振控制載荷進(jìn)行了修正，其各級載荷下的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變?nèi)源嬖谝欢ㄕ`差，該誤差隨試驗(yàn)載荷的加大而加大，且各級載荷下的應(yīng)變輸出非等比例。同時(shí)，力控制方式時(shí)，需在離心力達(dá)到考核目標(biāo)值后保載，同時(shí)對該兩通道的揮舞、擺振載荷進(jìn)行手動修正(序號7以后)，直至其對應(yīng)的實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變接近或相等。而應(yīng)變控制方案中控制參數(shù)為應(yīng)變，能較好地將每級載荷中的應(yīng)變控制在誤差范圍內(nèi)，且能保證按各級應(yīng)變等比例加載，滿足試驗(yàn)控制要求。

6 結(jié)論

通過對兩種控制方案試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析可知，對揮舞、擺振通道采用應(yīng)變控制方式，能較大程度地簡化試驗(yàn)過程，提高應(yīng)變控制精度，且解決了力控制方案中各級應(yīng)變間非等比例加載問題，符合試驗(yàn)考核要求，能應(yīng)用于各型號直升機(jī)同類型試驗(yàn)的控制工作。

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StudyofControlMethodforBladeRootStaticTest

CHEN Shuping，CAO Fasheng

(China Helicopter Research and Development Institute,Jingdezhen 333001,China)

In the process of blade root static test force control method,cross coupling exists in each channel;the load imposed on test part by actuator in every direction is not equal to the real load in that direction.Therefore,it is necessary to recalculate the load of each control channel,the test process is so complex that it needs a long time to accomplish the test task.To solve this problem,selected the blade root as the test object and analyzed its structure during test process.Strain control modes were adopted in flap and lag control channels,force control mode reserved in control channel of axial force.Contrasted the two control methods,the combination control method could shorten the test period,ensured the load process in geometric proportion and served as a reference for later similar tests.

blade root;static test;cross coupling;strain control;combination control

2016-11-02

陳淑平(1985-)，女，山東泰安人，碩士，工程師，主要研究方向：直升機(jī)靜力試驗(yàn)技術(shù)。

1673-1220(2017)03-055-05

V216.1+2

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