多支撐天平測(cè)量技術(shù)研究與應(yīng)用*

李 勇，趙長(zhǎng)輝，于衛(wèi)青

(1 中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院， 沈陽(yáng) 110034; 2 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065)

0 引言

風(fēng)洞天平[1]是飛行器風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)[2]的主要測(cè)量設(shè)備，在風(fēng)洞試驗(yàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。多為六分量測(cè)力天平，以單支撐的方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。此種支撐測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)為力的傳遞路徑單一，使用一臺(tái)六分量風(fēng)洞天平即可滿足測(cè)量需求，且對(duì)于測(cè)量的載荷處理簡(jiǎn)單方便。隨著導(dǎo)彈、飛機(jī)等新型號(hào)的研制和發(fā)展，越來(lái)越多的雙支撐結(jié)構(gòu)，多支撐結(jié)構(gòu)的測(cè)量試驗(yàn)開(kāi)始有了新的需求，例如民機(jī)的雙支撐測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)彈雙支撐舵面展開(kāi)鉸鏈力矩試驗(yàn)，導(dǎo)彈掛載荷飛行三支撐測(cè)力試驗(yàn)等。目前業(yè)界對(duì)多個(gè)支撐方式測(cè)量的方案，考慮較多的是采用多個(gè)測(cè)量元件連接到不同的支撐端，通過(guò)不同元件上的應(yīng)變橋組合得到總體的測(cè)量各分量，整體進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定和試驗(yàn)測(cè)量[3]，認(rèn)為此種方法更能夠模擬實(shí)際的使用狀態(tài)。但此種整體標(biāo)定測(cè)量法的缺點(diǎn)是被測(cè)物的多個(gè)支撐端必須都為完全約束狀態(tài)(見(jiàn)圖1)，且使用過(guò)程中各約束連接端與多個(gè)天平元件的連接要始終保持不變，即天平元件連接端不能夠進(jìn)行拆裝，方案原理(見(jiàn)圖2)。由靜力分布原理我們可以知道過(guò)約束狀態(tài)的連接，重新連接后內(nèi)力分布必然發(fā)生改變，也意味著傳遞的總體力按著一個(gè)新的規(guī)則進(jìn)行傳遞。故整體標(biāo)定測(cè)量法拆裝后必須對(duì)天平進(jìn)行重新標(biāo)定再使用。且目前被測(cè)物的使用狀態(tài)多為部分約束放開(kāi)狀態(tài)(如圖3所示)。此種約束的多支撐結(jié)構(gòu)由于加工誤差及連接間隙等問(wèn)題導(dǎo)致各支撐上的內(nèi)力分布極其不穩(wěn)定，用整體標(biāo)定測(cè)量法根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量要求。因此我們?cè)O(shè)想了多分量天平單獨(dú)校準(zhǔn)組合測(cè)量法(如圖4所示)，可有效解決多支撐的測(cè)量問(wèn)題。

圖2 整體標(biāo)定測(cè)量法原理圖

圖3 多支撐非全約束力學(xué)簡(jiǎn)圖

圖4 多分量天平單獨(dú)校準(zhǔn)組合測(cè)量原理圖

1 技術(shù)方案原理

根據(jù)力傳遞原理，整體力經(jīng)多臺(tái)多分量天平傳遞到固定端，每臺(tái)多分量天平感應(yīng)的力即為該天平固定端分配到的外力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力，所有多天平的合力即為整個(gè)系統(tǒng)所受外力。初始狀態(tài)整體載荷見(jiàn)公式(1)，受載狀態(tài)整體載荷見(jiàn)公式(2)，受載狀態(tài)與初始狀態(tài)的差量即為被測(cè)載荷。需要指出由于連接及配合間

隙等問(wèn)題被測(cè)物受載不同時(shí)在各天平上的內(nèi)力分布是發(fā)生變化的，即初始狀體的某一天平內(nèi)力與受載狀態(tài)的內(nèi)力的分配比例是不相等的，但內(nèi)力之和在不同狀態(tài)下是相等的，見(jiàn)公式(4)。

F0=f1g+f1內(nèi)(F0)+f2g+f2內(nèi)(F0)+f3g+

f3內(nèi)(F0)+…+fng+fn內(nèi)(F0)

(1)

F1=f1g+f1內(nèi)(F1)+f1外載(F1)+f2g+f2內(nèi)(F1)+

f2外載(F1)+…+fng+fn內(nèi)(F1)+fn外載(F1)

(2)

F1-F0=F外載

(3)

(f1內(nèi)(F0)+f2內(nèi)(F0)+f3內(nèi)(F0)+…+fn內(nèi)(F0))-

(f1內(nèi)(F1)+f2內(nèi)(F1)+f3內(nèi)(F1)+…+fn內(nèi)(F1))=0

(4)

式中:F0為初始狀態(tài)各天平合力；F1為受載狀態(tài)各天平合力；F外載為測(cè)量外載的總體載荷；fg為不同狀態(tài)下各天平的重力；f內(nèi)為不同狀態(tài)下各天平的內(nèi)力；f外載為不同狀態(tài)下各天平分擔(dān)的外載；下標(biāo)1，2，3，…，n代表各天平序號(hào)。

2 某掛飛測(cè)量應(yīng)用

對(duì)于某導(dǎo)彈進(jìn)行掛載飛行測(cè)力，支撐端的約束狀態(tài)為前吊掛全約束，中、后吊掛在彈體軸向自由其余固定約束。采用3臺(tái)六分量測(cè)力天平進(jìn)行組合測(cè)量掛飛載荷,見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)力系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 各天平設(shè)計(jì)載荷計(jì)算與選取

由于設(shè)計(jì)輸入條件為XX彈的整體載荷，而測(cè)力天平的設(shè)計(jì)需要知道每個(gè)吊掛的受力情況。由于彈與掛架連接為靜不定結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算比較復(fù)雜。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用ANSYS有限元軟件對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6、圖7。各天平計(jì)算結(jié)果與最終的設(shè)計(jì)載荷選取見(jiàn)表1。

2.2 各天平設(shè)計(jì)應(yīng)變

設(shè)計(jì)中采用材料力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)天平各元應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也采用有限元法對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)變進(jìn)行驗(yàn)證性計(jì)算，兩結(jié)果比較一致。設(shè)計(jì)應(yīng)變見(jiàn)表2。

圖6 彈體三維模型

2.3 各天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度指標(biāo)

天平校準(zhǔn)標(biāo)定系統(tǒng)選用中航氣動(dòng)院BACS1500全自動(dòng)天平校準(zhǔn)臺(tái)[4]，采用多元校[5]進(jìn)行加載校準(zhǔn)。各天平校準(zhǔn)準(zhǔn)度指標(biāo)接近國(guó)軍標(biāo)先進(jìn)水平，見(jiàn)表3。

圖7 吊掛及天平三維模型

表1 各天平的計(jì)算載荷與設(shè)計(jì)載荷選取

載荷X/NY/NZ/NMx/(N·m)My/(N·m)Mz/(N·m)前天平計(jì)算值3 0008 5738 506413317202前天平設(shè)計(jì)值3 0008 0008 000400300300中天平計(jì)算值05 0975 33833216972中天平設(shè)計(jì)值2 0006 0006 000400300300后天平計(jì)算值06 8606 59531914069后天平設(shè)計(jì)值2 0006 0006 000400300300

2.4 組合加載驗(yàn)證

文中系統(tǒng)在中航空導(dǎo)院強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)架進(jìn)行加載驗(yàn)證，施力機(jī)構(gòu)是電動(dòng)缸，測(cè)力裝置是拉力傳感器。由于設(shè)備功能限制本次驗(yàn)證加載只施加了升力、側(cè)力、阻力和滾轉(zhuǎn)力矩4個(gè)分量的力。加載方法是以彈的參考中心為參考點(diǎn)對(duì)彈整體施加載荷，測(cè)量計(jì)算加載結(jié)果。施加載荷分為單元加載和組合加載兩種。各工況的測(cè)量誤差均在5%以內(nèi)，詳見(jiàn)表4。由于該整體加載驗(yàn)證裝置是為彈體靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)使用建設(shè)的，其加載的精、準(zhǔn)度不高。故該結(jié)果僅可作為評(píng)估使用，系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果應(yīng)優(yōu)于驗(yàn)證加載指標(biāo)。整體準(zhǔn)度標(biāo)定需要加工準(zhǔn)確的力加載裝置，方法參考常規(guī)天平準(zhǔn)度計(jì)算方法即可。

表2 各天平設(shè)計(jì)應(yīng)變

表3 各天平靜態(tài)校準(zhǔn)準(zhǔn)度

表4 試驗(yàn)彈模型驗(yàn)證加載結(jié)果

3 結(jié)論

1)多分量天平單獨(dú)校準(zhǔn)組合測(cè)量法可以較好的解決多支撐試驗(yàn)測(cè)量問(wèn)題。

2)多分量天平單獨(dú)校準(zhǔn)組合測(cè)量法不受各支撐的約束形式的限制，適用范圍更加廣泛。

3)通過(guò)某掛飛測(cè)力試驗(yàn)測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用，證明了多分量天平單獨(dú)校準(zhǔn)組合測(cè)量法的技術(shù)合理性。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)型號(hào)的掛飛測(cè)量實(shí)驗(yàn)[6-7]及風(fēng)洞實(shí)彈雙支撐舵面展開(kāi)鉸鏈力矩試驗(yàn)中。