一臺(tái)大載荷比Φ32 mm六分量天平的研制

崔智強(qiáng),李 勇,王世紅,趙長(zhǎng)輝

(中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110034)

隱身巡航導(dǎo)彈[1-2]以其難探測(cè)、難防御的特點(diǎn)被世界各國(guó)所重視,研制該種導(dǎo)彈就需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)隱身巡航導(dǎo)彈氣動(dòng)布局特點(diǎn)來研制與其載荷相匹配的測(cè)力天平[3-4],是保證試驗(yàn)精準(zhǔn)的關(guān)鍵。隱身巡航導(dǎo)彈一般為大展弦比、長(zhǎng)機(jī)身構(gòu)型,氣動(dòng)上具有高升阻比的特點(diǎn);同時(shí),相對(duì)扁平的彈身和V形尾舵,決定了低側(cè)向力的氣動(dòng)特性,即氣動(dòng)載荷上是較大的升阻比和較大的升側(cè)比。常規(guī)風(fēng)洞測(cè)力天平阻力、側(cè)力及偏航力矩量程遠(yuǎn)大于隱身布局導(dǎo)彈模型的實(shí)際氣動(dòng)載荷,用大量程的天平去測(cè)量很小的氣動(dòng)力,無疑會(huì)引起阻力、側(cè)力和偏航力矩較大的測(cè)量誤差。因此,有必要根據(jù)隱身巡航導(dǎo)彈模型的氣動(dòng)載荷特點(diǎn),設(shè)計(jì)出具有較高阻力、側(cè)力、偏航力矩測(cè)量精準(zhǔn)度的專用天平。

1 天平設(shè)計(jì)載荷及直徑的選取

根據(jù)某隱身巡航導(dǎo)彈模型外形,采用CFD計(jì)算方法進(jìn)行氣動(dòng)力的載荷估算,并選取天平的設(shè)計(jì)載荷,見表1。表中,Fx為阻力,Fy為升力,Fz為側(cè)力,Mx為滾轉(zhuǎn)力矩,My為偏航力矩,Mz為俯仰力矩。根據(jù)模型使用情況選取天平直徑32 mm。

表1 天平設(shè)計(jì)載荷

2 天平設(shè)計(jì)的主要技術(shù)難點(diǎn)

由天平的設(shè)計(jì)載荷可以知道該天平的縱、橫向載荷比為21∶1,而常規(guī)的桿式天平該比一般在2∶1～5∶1之間。因此在保證天平橫向測(cè)量元件的縱向剛度的同時(shí),提高天平橫向載荷測(cè)量的靈敏度是天平設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

由天平的設(shè)計(jì)載荷可以知道該天平的升阻比為42∶1,而常規(guī)的桿式天平該比一般在15∶1～20∶1之間。因此在保證天平阻力測(cè)量元件縱向剛度的同時(shí),提高天平阻力測(cè)量的靈敏度是天平設(shè)計(jì)的又一難點(diǎn)。

3 天平結(jié)構(gòu)方案研究與選取

目前常規(guī)使用天平的總體結(jié)構(gòu)為并聯(lián)結(jié)構(gòu),前后柱梁結(jié)構(gòu)組合測(cè)量天平除阻力之外的其他分量,采用“T”型梁為阻力元件結(jié)構(gòu),測(cè)量天平阻力,如圖1所示。由于此種結(jié)構(gòu)天平組合程度過高,對(duì)于大載荷比的設(shè)計(jì)條件,很難同時(shí)得到所有分量的滿意設(shè)計(jì)輸出。根據(jù)本次設(shè)計(jì)背景知道,本天平設(shè)計(jì)的阻力與側(cè)力測(cè)量量值較小,載荷不匹配比較嚴(yán)重,這是設(shè)計(jì)考慮的主要問題。因此,采用小量獨(dú)立分離設(shè)計(jì)方案是本次設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)思想。阻力測(cè)量元件在并聯(lián)結(jié)構(gòu)天平上是獨(dú)立的結(jié)構(gòu),可以采用力放大的方法解決阻力小量設(shè)計(jì)輸出問題。而側(cè)力測(cè)量元件在并聯(lián)結(jié)構(gòu)天平上是與其他元件共用的結(jié)構(gòu),因此需要采用獨(dú)立分離出來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來解決側(cè)力小量設(shè)計(jì)輸出問題。

3.1 側(cè)力測(cè)量結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)載荷的特點(diǎn),側(cè)力測(cè)量量值較小,達(dá)到較大的靈敏度且與偏航力矩進(jìn)行組合測(cè)量的難度比較大,故本方案選擇獨(dú)立分離元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。借鑒經(jīng)典桿式天平的“1”字阻力元件結(jié)構(gòu),采用多片的薄片梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐,“1”字敏感元件進(jìn)行側(cè)力感應(yīng),此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是僅對(duì)側(cè)力比較敏感,對(duì)其他載荷的承載能力較強(qiáng)。本方案選取20片厚0.7 mm的支撐梁進(jìn)行支撐,用敏感元件為厚2 mm、高6 mm的矩形梁進(jìn)行感應(yīng)測(cè)量。

動(dòng)求解方程的系數(shù)和程序,見圖7。最終六連桿并聯(lián)復(fù)位機(jī)構(gòu)滿足了復(fù)位指標(biāo)角的精度±3″和線位移精度±0.03 mm的要求。

3.2 阻力測(cè)量結(jié)構(gòu)

阻力是測(cè)量量中的最小量,要實(shí)現(xiàn)阻力的測(cè)量,同樣需要解決阻力元件結(jié)構(gòu)對(duì)其他載荷的承擔(dān)及阻力敏感元件的測(cè)量靈敏度問題。阻力元件支撐問題的解決是通過增加支撐梁數(shù)量、減薄支撐量厚度的方法來實(shí)現(xiàn)。此種支撐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)阻力元件對(duì)其他載荷支撐的同時(shí)使測(cè)量量損失最小。本方案選取的支撐量數(shù)目20片,厚、長(zhǎng)、高分別為0.6 mm、7.5 mm、9 mm。提高測(cè)量敏感元件靈敏度的方法是借鑒經(jīng)典桿式天平的“π”型阻力元件結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)的力的放大功能,增加元件的偏心距離,來獲得元件測(cè)量部位的較大的彎矩,從而得到較大的靈敏度輸出,本方案的偏心距選取6 mm,設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況繼續(xù)增加偏心距離,達(dá)到增加靈敏度輸出的目的。

3.3 其他力的測(cè)量結(jié)構(gòu)

主要的不匹配量解決后,其他的測(cè)量分量采用阻力元件結(jié)構(gòu)前后的2個(gè)矩形梁元件進(jìn)行測(cè)量,通過調(diào)整矩形梁的長(zhǎng)寬比及前后矩形梁的距離,很容易得到4個(gè)力的較理想的靈敏度輸出。

3.4 天平結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)本項(xiàng)目測(cè)量載荷特點(diǎn)研制的天平結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中,阻力與側(cè)力測(cè)量元件為單獨(dú)的元件結(jié)構(gòu)，其余元件為組合元件結(jié)構(gòu)。

4 天平設(shè)計(jì)應(yīng)變計(jì)算

采用材料力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)天平各測(cè)量元件尺寸進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化后,采用有限元法進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。兩者計(jì)算結(jié)果比較詳見表2。表中,εFx,εFy,εFz分別為阻力、升力和側(cè)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變;εMx,εMy,εMz分別為滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩作用下的應(yīng)變。天平各元設(shè)計(jì)應(yīng)變?cè)?.5×10-4～7×10-4之間,滿足風(fēng)洞應(yīng)變天平的設(shè)計(jì)規(guī)范要求,天平設(shè)計(jì)應(yīng)變?cè)萍y圖見圖3～圖8。

εFxεFyεFzεMxεMyεMz有限元計(jì)算結(jié)果2.02×10-46.49×10-43.73×10-46.60×10-43.11×10-43.24×10-4材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果1.85×10-46.46×10-43.68×10-46.50×10-43.10×10-43.20×10-4

5 天平加工和粘貼

該天平的加工主要采用電火花與線切割等工藝加工。由于天平載荷不匹配情況比較嚴(yán)重,大量對(duì)小量的干擾將是校準(zhǔn)中的主要難題,通過天平系數(shù)矩陣的修正無法完全消除。因此,物理結(jié)構(gòu)上減小干擾也是得到較高校準(zhǔn)準(zhǔn)度的必要措施。該天平的前、后錐及阻力、側(cè)力元件的各梁的形位公差都有更為嚴(yán)格的要求,均小于0.01 mm。

天平粘貼選用高精度金屬應(yīng)變計(jì),組橋采用惠氏頓全橋法,同時(shí)在橋路中串聯(lián)溫度敏感電阻對(duì)溫度影響的零點(diǎn)漂移進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)[5],以達(dá)到天平零點(diǎn)溫度影響最小。

6 天平校準(zhǔn)

天平校準(zhǔn)標(biāo)定的方案及過程對(duì)天平測(cè)量精、準(zhǔn)度具有很大的影響[6-7]。由于本天平載荷比較大,天平安裝姿態(tài)角度誤差帶來的大載荷量對(duì)小載荷量的干擾會(huì)較大。因此,天平校準(zhǔn)中對(duì)于天平的安裝姿態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,采用激光跟蹤儀進(jìn)行加載頭初始定位的角度位置測(cè)量,角度誤差為30″,線性誤差為0.05 mm。校準(zhǔn)采用全自動(dòng)激光測(cè)量反饋的體軸天平校準(zhǔn)系統(tǒng),復(fù)位精度可達(dá)4″,有效保證了天平校準(zhǔn)整個(gè)過程的姿態(tài)位置準(zhǔn)確。天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度達(dá)到使用要求,詳見表3。表中,Δ表示絕對(duì)誤差,δ為相對(duì)誤差,3δ為極限誤差。天平溫度靈敏度影響修正[8]是通過20 ℃與60 ℃ 2種狀態(tài)對(duì)天平進(jìn)行加載得到溫度影響系數(shù),進(jìn)而在試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行修正。

表3 天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度指標(biāo)

7 天平動(dòng)校風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媚畴[身巡航彈模型,以Ma=0.8時(shí)試驗(yàn)重復(fù)性的形式給出天平動(dòng)校結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明本天平精度優(yōu)于常規(guī)天平,接近先進(jìn)指標(biāo)范圍。天平試驗(yàn)精度詳見表4。表中,α為實(shí)驗(yàn)攻角;σMx,σMy,σMz分別為滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩的5次均方差;σFx,σFy,σFz分別為阻力、升力和側(cè)力的5次均方差。

表4 天平試驗(yàn)精度

8 結(jié)束語(yǔ)

大載荷比Φ32 mm六分量天平設(shè)計(jì)是成功的。天平性能穩(wěn)定,動(dòng)校精度達(dá)到了國(guó)軍標(biāo)的先進(jìn)水平。目前該天平已成功地應(yīng)用到型號(hào)實(shí)驗(yàn)之中。

大載荷比Φ32 mm六分量天平總體結(jié)構(gòu)布置比較合理,各元件的尺寸設(shè)計(jì)得當(dāng),在具有較好剛度的同時(shí)達(dá)到小阻力、小側(cè)力的小量載荷精確測(cè)量的目的。

大載荷比Φ32 mm六分量天平研制的成功,為類似隱身巡航導(dǎo)彈氣動(dòng)布局模型測(cè)力天平的研制及載荷極不匹配測(cè)力天平的研制提供了借鑒。