基于外置電橋修正法的大展弦比機(jī)翼片式鉸鏈力矩天平應(yīng)用技術(shù)研究

賈 巍, 劉維亮, 趙忠良, 苗 磊, 謝 斌, 米 鵬, 楊洪勝, 王樹(shù)民, 陳 竹

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

基于外置電橋修正法的大展弦比機(jī)翼片式鉸鏈力矩天平應(yīng)用技術(shù)研究

賈 巍*, 劉維亮, 趙忠良, 苗 磊, 謝 斌, 米 鵬, 楊洪勝, 王樹(shù)民, 陳 竹

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

傳統(tǒng)的大展弦比機(jī)翼片式鉸鏈力矩天平在應(yīng)用過(guò)程中存在測(cè)量精準(zhǔn)度不高的問(wèn)題。該問(wèn)題由機(jī)翼受載變形引發(fā)的附加干擾信號(hào)產(chǎn)生。針對(duì)此現(xiàn)象，為提高大展弦比飛機(jī)操縱舵面鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度與準(zhǔn)度，探索了一種“利用一組信號(hào)修正天平信號(hào)”的外置電橋修正法，詳細(xì)闡述了其工作原理以及方法步驟。以某型號(hào)風(fēng)洞試驗(yàn)為例，通過(guò)在機(jī)翼上布置外置電橋，將修正后測(cè)量結(jié)果與未修正的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由對(duì)比結(jié)果可知：未經(jīng)信號(hào)修正的天平測(cè)量誤差最高達(dá)到54%，將信號(hào)修正后其測(cè)量誤差降低為6%，天平測(cè)量準(zhǔn)度有所提高。本研究為大展弦比飛機(jī)操縱舵面鉸鏈力矩天平的應(yīng)用提供新思路。

片式鉸鏈力矩天平；大展弦比；外置電橋修正法；機(jī)翼變形；干擾信號(hào)

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)民機(jī)、軍機(jī)以及無(wú)人機(jī)發(fā)展的重視，大展弦比飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)任務(wù)不斷增加，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度與準(zhǔn)度的要求也越來(lái)越高[1-2]。從實(shí)際情況看，這類風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀兄笳瓜冶?、機(jī)翼與操縱舵面長(zhǎng)而薄、氣動(dòng)載荷大的共同特點(diǎn)，其突出問(wèn)題是難以確保消除安裝在機(jī)翼上的片式鉸鏈力矩天平的附加非測(cè)量信號(hào)。該問(wèn)題是由機(jī)翼受載變形導(dǎo)致天平非測(cè)量連接端變形造成，直接影響著風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度[3]。

長(zhǎng)期以來(lái)，探索大展弦比飛機(jī)機(jī)翼的變形對(duì)片式鉸鏈力矩天平測(cè)量精、準(zhǔn)度的影響問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外的天平領(lǐng)域一直未能得到滿意的解決，尚不能滿足設(shè)計(jì)單位的技術(shù)需求[3]。這也是制約大展弦比飛機(jī)操縱舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”問(wèn)題，必須發(fā)展相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于“機(jī)翼受載變形引發(fā)天平附加非測(cè)量信號(hào)”問(wèn)題的主要研究方向有2個(gè)：一是半模試驗(yàn)技術(shù)、放大模型縮比，但該方法不能滿足模型在側(cè)滑姿態(tài)下的試驗(yàn)條件；二是全模局部加厚，但此方法模型整體的縮放比例不一，即改變了模型外形，導(dǎo)致氣動(dòng)特性復(fù)雜化，難以對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理修正[4]。因此，采用上述2種方式來(lái)提高機(jī)翼以及連接接口剛度在實(shí)際的鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)中均無(wú)法解決“接口變形引起附加干擾信號(hào)”這一根本性問(wèn)題。而作者首次提出的外置電橋修正法作為一種新型的信號(hào)修正方法與前人相比能夠在模擬大展弦比飛機(jī)翼面形狀的前提下，最大限度地減小機(jī)翼變形對(duì)片式鉸鏈力矩天平測(cè)量準(zhǔn)度的影響。如何正確運(yùn)用外置電橋信號(hào)來(lái)修正天平輸出信號(hào)是本次研究工作的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。為此，開(kāi)展了基于外置電橋修正法的片式鉸鏈力矩天平應(yīng)用技術(shù)研究工作，其結(jié)果已經(jīng)成功應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)中。

1 外置電橋修正法

所謂“外置電橋修正方法”，就是利用引入的外來(lái)電橋信號(hào)來(lái)修正天平電橋信號(hào)，這是一種立足于大展弦比飛機(jī)模型鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)的新型信號(hào)修正方法。提出該修正方法的原因在于該類飛機(jī)機(jī)翼及連接接口剛度不夠?qū)μ炱捷敵鲂盘?hào)存在影響，外置電橋位于大展弦比飛機(jī)模型機(jī)翼的特殊位置，它對(duì)片式鉸鏈力矩天平各分量的測(cè)量起補(bǔ)充修正作用。

1.1 基本構(gòu)成

這種信號(hào)修正方法包括3個(gè)基本要素：一是飛機(jī)模型，二是片式鉸鏈力矩天平，三是外置電橋測(cè)量元件。具體如圖1所示。

在以上3個(gè)基本要素中，后兩者是關(guān)鍵構(gòu)成要素，在整個(gè)信號(hào)修正過(guò)程中起著決定作用：主信號(hào)是片式鉸鏈力矩天平各分量的電橋信號(hào)，次要信號(hào)是外置電橋的電橋信號(hào)。主信號(hào)是鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)所需的信號(hào)，但機(jī)翼變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，卻將一組降低風(fēng)洞試驗(yàn)精準(zhǔn)度的干擾信號(hào)摻雜到其中，因此，必須經(jīng)過(guò)外置電橋的次要信號(hào)采用數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行修正。3個(gè)關(guān)鍵因素相輔相成，構(gòu)成了片式鉸鏈力矩天平外置電橋信號(hào)修正方法。

1.2 工作原理

外置電橋修正法的工作原理是：通過(guò)“安裝”在機(jī)翼上的外置電橋，與原有天平重新構(gòu)成一臺(tái)“新”的復(fù)合天平；利用機(jī)翼電橋的輸出信號(hào)來(lái)修正天平各個(gè)測(cè)量元件的輸出信號(hào)，將修正后的信號(hào)作為天平信號(hào)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)分析

(1) 大展弦比飛機(jī)機(jī)翼受氣動(dòng)載荷作用沿展向各個(gè)截面的變形不一致，外置電橋測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)、位置的確定是關(guān)鍵，需模擬機(jī)翼、外置電橋測(cè)量元件一體化受載的工況，通過(guò)進(jìn)行有限元分析計(jì)算獲得。確定其具體位置有2個(gè)基本原則：一是外置電橋測(cè)量元件受載后的變形應(yīng)盡可能地接近片式天平固定端連接區(qū)域的變形；二是外置電橋測(cè)量元件受載后的電信號(hào)輸出與片式天平受載情況下的主信號(hào)輸出有相關(guān)性。 (2) 外置電橋作為變形接口與鉸鏈力矩天平的“聯(lián)系手段”，找出外置電橋輸出信號(hào)與鉸鏈力矩天平輸出信號(hào)二者合理關(guān)系是關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)綜合分析后，采用模擬機(jī)翼受力狀態(tài)靜態(tài)校準(zhǔn)的方式[5]，通過(guò)電橋合成擬合出一套適用于“新”的復(fù)合天平的信號(hào)輸出公式。為驗(yàn)證該技術(shù)方案的可行性，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)“新”的復(fù)合天平加載，進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法的驗(yàn)證。

(3)在機(jī)翼位置布置外置電橋，必須考慮應(yīng)變計(jì)所需空間，因此需在機(jī)翼上采取開(kāi)槽等手段，這與風(fēng)洞試驗(yàn)中嚴(yán)格模擬模型外形的基本要求相矛盾。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模型外形的真實(shí)模擬，可以在開(kāi)槽位置通過(guò)設(shè)計(jì)專用的模型蓋板的手段解決。這樣既完成了對(duì)外置電橋的保護(hù)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_模擬。

2 方法步驟

2.1 單個(gè)片式鉸鏈力矩天平的校準(zhǔn)[6]

首先進(jìn)行單個(gè)片式鉸鏈力矩天平的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法同傳統(tǒng)的片式鉸鏈力矩天平校準(zhǔn)方法一樣，采用體軸系校準(zhǔn)。對(duì)天平各個(gè)分量施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，通過(guò)校準(zhǔn)設(shè)備，調(diào)整校準(zhǔn)支桿及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致，根據(jù)不同載荷狀態(tài)下天平各測(cè)量元的輸出擬合出片式天平工作公式。

2.2 復(fù)合天平電橋信號(hào)的校準(zhǔn)修正

片式天平固連在模型機(jī)翼上，將從與天平固定端連接處至翼尖的機(jī)翼部分視為一區(qū)域，在該區(qū)域的壓心位置施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，對(duì)應(yīng)片式天平在有、無(wú)受力2種狀態(tài)下外置電橋的2種信號(hào)輸出，分別求得片式天平與外置電橋?qū)ζ教炱脚渲氐慕徊骓?xiàng)干擾系數(shù)以及外置電橋?qū)ζ教炱降膹澗叵禂?shù)[5]。根據(jù)以上2個(gè)系數(shù)擬合得到外置電橋與片式天平各測(cè)量分量信號(hào)輸出之間的信號(hào)修正公式：

2.3 信號(hào)修正公式的驗(yàn)證

將通過(guò)2.2節(jié)的修正公式獲得的測(cè)量元輸出信號(hào)，代入2.1節(jié)擬合的片式天平工作公式中參與迭代計(jì)算。改變模型、天平承受的標(biāo)準(zhǔn)載荷，將2組信號(hào)代入公式，重復(fù)上述步驟，驗(yàn)證修正公式及天平工作公式的準(zhǔn)確度。

3 設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

某型號(hào)鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)在FL-26跨超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂写笳瓜冶蕊w機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：翼展長(zhǎng)2.3m，安裝天平位置厚7.6mm，機(jī)翼沿展向各個(gè)截面的變形不一致，越靠近機(jī)身的部分剛度較強(qiáng)，遠(yuǎn)離機(jī)身部分的剛度越來(lái)越弱[7]。

3.1 問(wèn)題分析

該片式鉸鏈力矩天平與模型操縱舵面采用一體化設(shè)計(jì)[8](如圖2所示)，片式鉸鏈力矩天平的固定端與大展弦比模型機(jī)翼通過(guò)面面接觸的方式，采用螺栓將二者固連。作為天平固定端，需具備足夠剛性，但機(jī)翼的厚度決定了天平連接端的整體剛度系數(shù)不大，見(jiàn)圖3中的A-A截面，連接部分的厚度與天平固定連接端的厚度相當(dāng)。因此，該大展弦比飛機(jī)的翼型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了“在風(fēng)洞試驗(yàn)中，其機(jī)翼在受載后引起接口變形會(huì)直接傳遞給天平測(cè)量元件產(chǎn)生干擾”的必然性。實(shí)踐證明，干擾信號(hào)對(duì)片式天平受載后產(chǎn)生的主信號(hào)是極為不利的，它降低了天平的測(cè)量精準(zhǔn)度，見(jiàn)表1。從表中可以看出，機(jī)翼及連接接口變形對(duì)天平測(cè)量結(jié)果的影響有時(shí)甚至高達(dá)50%以上，該誤差的量級(jí)在風(fēng)洞試驗(yàn)中是絕對(duì)不被允許的。

某型號(hào)鉸鏈力矩天平法向力Y/%鉸鏈力矩Mj/%滾轉(zhuǎn)力矩Mx/%正升力方向10kg202518正升力方向20kg144854負(fù)升力方向10kg73130負(fù)升力方向20kg135144

3.2 解決措施

為解決連接接口的設(shè)計(jì)難題，該天平采用了“馬蹄鐵”型面接觸的連接方式，在確保安裝定位準(zhǔn)確的前提下，減小連接接觸面，周邊用螺釘連接，減小裝配連接應(yīng)力傳遞到天平元件上[9]。同時(shí)，為修正機(jī)翼變形以及天平固定連接部分整體剛度系數(shù)不足所帶來(lái)的干擾信號(hào)，在機(jī)翼上天平固定連接端附近位置布置外置電橋測(cè)量元件，如圖4所示，通過(guò)粘貼電阻應(yīng)變計(jì)的方式形成惠斯頓全橋測(cè)量電路[6]。嚴(yán)格按照前文所述的加載方式，通過(guò)模擬機(jī)翼變形的狀態(tài)，找出機(jī)翼變形、外置電橋信號(hào)以及鉸鏈力矩天平信號(hào)三者的關(guān)系，完成整個(gè)信號(hào)修正過(guò)程。

3.3 信號(hào)修正結(jié)果

將上文提到的某型號(hào)片式鉸鏈力矩天平測(cè)量結(jié)果采用外置電橋修正法進(jìn)行信號(hào)修正，其加載值和誤差得到大幅改善，見(jiàn)表2。將表1和2進(jìn)行綜合對(duì)比，可以看出，采用外置電橋修正法后，該片式鉸鏈力矩天平的測(cè)量精準(zhǔn)度得到了大幅提升。

表2 修正后的某型號(hào)鉸鏈力矩天平加載值和不確定度Table 2 Loading loads and uncertainty for corrected results of the model’s hinge moment balance

3.4 風(fēng)洞試驗(yàn)效果

某型號(hào)鉸鏈力矩試驗(yàn)于中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心FL-26 風(fēng)洞進(jìn)行, 在完成了天平、 模型在全模試驗(yàn)段中的安裝和調(diào)試后, 在機(jī)翼上對(duì)天平進(jìn)行加載檢驗(yàn)，確認(rèn)天平狀態(tài)正常，加載精準(zhǔn)度滿足試驗(yàn)要求后，再進(jìn)入風(fēng)洞進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備。風(fēng)洞試驗(yàn)前，這些天平在舵面上多個(gè)點(diǎn)多次加載,準(zhǔn)度均在0.5%內(nèi)。在試驗(yàn)過(guò)程中，參試天平經(jīng)多次安裝，無(wú)明顯溫度效應(yīng)，順利地完成了風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)M=0. 3，0.4，0.7， 0. 75，0. 8， 0. 85。下面以某些狀態(tài)模型為例,將不同馬赫數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比, 其結(jié)果見(jiàn)圖4～8。從圖中的試驗(yàn)曲線規(guī)律來(lái)看, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律良好，該試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了型號(hào)單位的認(rèn)同。

4 結(jié) 論

為了克服傳統(tǒng)的片式鉸鏈力矩天平測(cè)量技術(shù)遇到的困難，作者探索了一種名為“外置電橋修正法”的信號(hào)修正方法，考慮到新方法在實(shí)施過(guò)程中遇到的若干技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題，提出了具體的解決方法，并將這一方法成功運(yùn)用到型號(hào)設(shè)計(jì)中，其修正結(jié)果說(shuō)明外置電橋修正法在技術(shù)上是可行的。

修正后的加載結(jié)果表明，這種新型的信號(hào)修正方法可以有效修正機(jī)翼受載引起的天平接口變形對(duì)天平輸出信號(hào)的影響，提高片式天平實(shí)際工作過(guò)程中的精度和準(zhǔn)度，取得了令人滿意的效果?，F(xiàn)階段該信號(hào)修正方法在本部已得到首次嘗試，從長(zhǎng)期效果考慮，這種新型的信號(hào)修正方法引起了研究人員對(duì)現(xiàn)階段片式天平的更多思考，為今后模型與天平的一體化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)修正開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。

在下一步的工作中，“多組不同形式的外置電橋共同完成信號(hào)修正”的工作將逐步開(kāi)展，該方法還將被進(jìn)一步總結(jié)和完善。

作者相信隨著進(jìn)一步開(kāi)展更加細(xì)致的研究，外置電橋修正法能夠作為一項(xiàng)適用的技術(shù)在今后鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)的氣動(dòng)力測(cè)量中發(fā)揮更大作用。

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(編輯：張巧蕓)

Study on technology of using flaky hinge moment balance for high-aspect-ratio wings based on external electric bridge correction method

Jia Wei*, Liu Weiliang, Zhao Zhongliang, Miao Lei, Xie Bin, Mi Peng, Yang Hongsheng, Wang Shumin, Chen Zhu

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In application, the precision and accuracy of the traditional flaky hinge moment balance for the high-aspect-ratio wings are not high enough. The problem is caused by the additional interference signal resulted from the aerofoil transformation. Aiming at enhancing the hinge moment wind tunnel test data’s precision and accuracy for the high-aspect-ratio plane, the External Electric Bridge Correction Method (EEBCM) is explored. It is a new type of signal correction method using a set of signals to correct other signals, and its operational principle, steps and workflow are expounded in detail. Taking a wind tunnel test as an example: the external bridge is arranged on the wing, and the measurement results are compared with those without correction. The comparison shows that without the signal correction the balance measurement error is up to 54%, after the signal correction the measurement error is reduced to 6%, and the balance measurement accuracy has been improved. The present study provides a new idea for the application of the hinge moment balance to the high aspect ratio wings.

flaky hinge moment balance;high-aspect-ratio;external electric bridge correction method;aerofoil transformation;interference signal

1672-9897(2017)04-0059-05

10.11729/syltlx20160107

2016-06-29;

2016-12-15

JiaW,LiuWL,ZhaoZL,etal.Studyontechnologyofusingflakyhingemomentbalanceforhigh-aspect-ratiowingsbasedonexternalelectricbridgecorrectionmethod.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 59-63. 賈 巍, 劉維亮, 趙忠良, 等. 基于外置電橋修正法的大展弦比機(jī)翼片式鉸鏈力矩天平應(yīng)用技術(shù)研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 59-63.

V211.72

A

賈 巍(1985-)，女，吉林白城人，工程師。研究方向：風(fēng)洞應(yīng)變天平研制與應(yīng)用。通信地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail: 43660704@qq.com

*通信作者 E-mail: 43660704@qq.com