基于應(yīng)變法的非常規(guī)細(xì)長拉桿飛行載荷實(shí)測技術(shù)

李志蕊，吳 波，高騰龍

(中國飛行試驗(yàn)研究院飛機(jī)所，陜西西安710089)

0 引言

飛行載荷實(shí)測是驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性、完成新機(jī)定型必須進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目。飛機(jī)載荷測量主要方法有：應(yīng)變法、壓力法及其他成熟的方法，還可以使用加速度計、熱測試設(shè)備及外掛外載荷測試。壓力測量法不方便實(shí)施且耗費(fèi)較高，通常采用應(yīng)變電橋測量法來測量飛行載荷[1]。應(yīng)變法主要思想是通過地面校準(zhǔn)試驗(yàn)來建立應(yīng)變電橋與加載載荷之間的對應(yīng)關(guān)系(即載荷模型)，飛行中將實(shí)測應(yīng)變代入載荷模型，即可得到飛行實(shí)測載荷。

飛機(jī)操縱舵面鉸鏈力矩測量是飛機(jī)飛行載荷測量的一部分，飛機(jī)操縱舵面鉸鏈力矩是舵面氣動性能的重要參數(shù)，可以通過理論計算和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法獲得。由于舵面位于安定面后緣，氣動力復(fù)雜，受到的影響因素較多，難以計算準(zhǔn)確；另一方面，風(fēng)洞試驗(yàn)中由于試驗(yàn)流場難以模擬真實(shí)流場而導(dǎo)致模型難以完全模擬實(shí)物。因此飛行載荷實(shí)測操縱舵面鉸鏈力矩變得非常重要[2-3]。目前針對鉸鏈力矩的測量主要采用間接法[4-5]。首先通過在飛機(jī)操縱舵面?zhèn)髁险迟N應(yīng)變計電橋，通過脫機(jī)校準(zhǔn)建立應(yīng)變計電橋與校準(zhǔn)載荷之間的關(guān)系(即載荷模型)，將飛行實(shí)測應(yīng)變代入載荷模型測得傳力件載荷，再通過傳力件與舵面鉸鏈軸之間的幾何關(guān)系，推導(dǎo)得出操縱舵面鉸鏈力矩。

本文以某型飛機(jī)操縱舵面舵機(jī)拉桿為例，詳述應(yīng)變法進(jìn)行非常規(guī)細(xì)長拉桿飛行載荷實(shí)測技術(shù)。

1 舵面結(jié)構(gòu)分析

圖1 飛機(jī)舵面結(jié)構(gòu)

某飛機(jī)活動舵面機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)、舵機(jī)拉桿和傳動接頭等部件組成，如圖1，舵機(jī)拉桿為主要傳力件。飛行時，拉桿沿軸向運(yùn)動帶動舵機(jī)，從而引起舵面的上下偏轉(zhuǎn)。

2 應(yīng)變電橋改裝

通過結(jié)構(gòu)分析可知，飛行中該拉桿主要承受軸向拉壓載荷，要測得拉桿拉壓載荷，需要在拉桿上粘貼垂直組合應(yīng)變計。常規(guī)等截面細(xì)長拉桿一般在拉桿中間對稱粘貼應(yīng)變計，對側(cè)組橋即可。該機(jī)拉桿屬于非常規(guī)細(xì)長拉桿，結(jié)構(gòu)如圖2。拉桿結(jié)構(gòu)左右對稱，由螺紋桿、耳環(huán)套筒(內(nèi)含螺紋)、連接螺栓等組成，其中螺紋桿直徑6 mm，套筒直徑14 mm，圖中標(biāo)出了套筒內(nèi)部螺紋區(qū)域。

圖2 拉桿結(jié)構(gòu)及應(yīng)變計位置示意圖

該拉桿結(jié)構(gòu)中間螺紋桿不適合粘貼應(yīng)變計；耳環(huán)套筒螺紋段與螺紋桿相對位置不固定，受載時套筒傳力路徑不固定。此外，受尺寸和結(jié)構(gòu)限制，5號、6號點(diǎn)受尺寸限制，無法進(jìn)行應(yīng)變電橋改裝工作。因此，適合粘貼應(yīng)變片的位置為1號—4號點(diǎn)，其中1號和2號點(diǎn)位于套筒實(shí)心區(qū)域，位置對稱，3號和4號點(diǎn)分別位于腹板的正面與反面，位置對稱。

圖3 載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)

應(yīng)變改裝中，在1號和2號粘貼應(yīng)變計電橋組全橋，記為電橋①。3號和4號點(diǎn)粘貼應(yīng)變計電橋，記為電橋②。應(yīng)變計電橋改裝采用的是90°垂直應(yīng)變計，每組內(nèi)含有2個方向互成90°的應(yīng)變計，兩組應(yīng)變計組成1個惠斯通全橋。應(yīng)變改裝時采用對側(cè)組橋的方法，可有效消除其他載荷和溫度的影響，并增大應(yīng)變計響應(yīng)的輸出量級[6]。

3 地面校準(zhǔn)試驗(yàn)

地面校準(zhǔn)試驗(yàn)時，將加裝了應(yīng)變計電橋的拉桿采用專門研制的約束裝置安裝在拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)(圖4)，試驗(yàn)分拉向加載和壓向加載兩種，校準(zhǔn)載荷沿拉桿軸向施加。每種校準(zhǔn)載荷施加兩次，從0開始，分十級施加到最大校準(zhǔn)載荷(本次試驗(yàn)，拉向最大校準(zhǔn)載荷為800 N，壓向最大校準(zhǔn)載荷-800 N)，然后分十級卸載到0，試驗(yàn)中同時記錄應(yīng)變電橋響應(yīng)和校準(zhǔn)載荷。

圖4為載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)過程中應(yīng)變電橋①隨加載載荷的變化曲線。圖5為載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)過程中應(yīng)變電橋②隨加載載荷的變化曲線。

圖4 電橋①加載載荷-應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系

圖5 電橋②加載載荷-應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系

從圖4可以看出，在載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，電橋①的響應(yīng)隨拉向和壓向校準(zhǔn)載荷都呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性。從圖5可以看出，電橋②在拉向載荷校準(zhǔn)中，呈現(xiàn)較差的線性相關(guān)性；在壓向載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，線性相關(guān)性較好。

為更好說明電橋響應(yīng)，給出量化考核結(jié)果。典型的用于評定應(yīng)變計電橋載荷校準(zhǔn)結(jié)果好壞的手段是響應(yīng)系數(shù)。該系數(shù)定義為[7]：

(1)

式中：ε為應(yīng)變計電橋輸出，單位με；F為施加校準(zhǔn)載荷，單位N；η為電橋響應(yīng)系數(shù)，單位με/N。

同時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性用線性相關(guān)系數(shù)R大小來判斷，該值在-1～1范圍內(nèi)。當(dāng)|R|越接近1線性質(zhì)量越好。線性相關(guān)系數(shù)R的計算公式為：

(2)

通過線性擬合得到兩個電橋的響應(yīng)系數(shù)和線性相關(guān)性如表1。

表1 線性擬合結(jié)果

從表1擬合數(shù)據(jù)可看出，電橋①對拉向載荷和壓向載荷的響應(yīng)都很靈敏，且響應(yīng)系數(shù)相當(dāng)；拉向和壓向數(shù)據(jù)合并進(jìn)行擬合時，相關(guān)系數(shù)為0.9998，滿足測載要求，擬合曲線如圖5(c)所示。由此可知，電橋①對拉向加載和壓向加載響應(yīng)情況一致，在有限的試驗(yàn)條件下，只進(jìn)行單向加載試驗(yàn)，即可滿足測載要求。

電橋②在拉向載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，響應(yīng)靈敏但線性相關(guān)性較差；在壓向載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中，響應(yīng)靈敏且線性相關(guān)性較好。分析原因，是在拉向加載時，載荷主要從兩側(cè)緣條傳向套筒，由于該處距離螺栓較近，受應(yīng)力集中影響，電橋②位置受載不均勻，故響應(yīng)靈敏但線性較差；壓向加載中，載荷主要經(jīng)耳片穿向套筒，故②電橋響應(yīng)很靈敏，但受一定的應(yīng)力集中影響，所以線性略差。

由此可知，1號和2號點(diǎn)改裝為該非常規(guī)細(xì)長拉桿載荷測量的最佳應(yīng)變計電橋改裝位置，并可推算出該拉桿拉壓載荷方程為：

Ff=4.329*ε

(3)

式中：Ff為拉桿飛行實(shí)測載荷，εf為拉桿飛行實(shí)測應(yīng)變。

4 飛行實(shí)測結(jié)果

飛行中，將測得的拉桿飛行實(shí)測應(yīng)變代入式(3)，可得到拉桿實(shí)測載荷。再引入拉桿與舵面間距離，即可得到舵面鉸鏈力矩。本文僅以拉桿載荷為例進(jìn)行說明。圖6為某機(jī)動過程中，該拉桿載荷的時間歷程變化曲線。

圖6 飛行載荷實(shí)測

圖中可以看出，機(jī)動過程中，該拉桿受到明顯的拉壓載荷作用，通過舵機(jī)作用，引起舵面上偏和下偏，與實(shí)際飛行情況一致。

5 結(jié)論

1)本文提供的基于應(yīng)變法的飛行載荷實(shí)測技術(shù)可有效用于舵面拉桿的飛行載荷測量；

2)該類型的非常規(guī)細(xì)長拉桿，應(yīng)變電橋改裝位置的選擇非常重要，如果選擇合適的應(yīng)變電橋改裝位置，能保障拉向和壓向受載規(guī)律一致，在條件限制時可只進(jìn)行單向的載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)。