測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中兩種分塊積分法的對(duì)比分析

潘偉 徐凱銘 虎小明

摘要：風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)是載荷設(shè)計(jì)依據(jù)，在風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠的情況下，如何去處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到更準(zhǔn)確的處理結(jié)果，將直接影響著后續(xù)的全機(jī)載荷設(shè)計(jì)結(jié)果。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，我們使用的都是用分塊積分法，由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛笮〉南拗?，在模型上布置的測(cè)壓點(diǎn)數(shù)量有限，因此如何根據(jù)測(cè)壓點(diǎn)的位置進(jìn)行分塊是其中的關(guān)鍵，這不僅影響到最后計(jì)算的載荷結(jié)果的準(zhǔn)確性，還影響到最后強(qiáng)度校核時(shí)的加載結(jié)果。

關(guān)鍵詞：測(cè)壓數(shù)據(jù)處理;分塊積分法;分塊方法

1 概述

載荷是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始輸入，載荷的準(zhǔn)確性就直接影響著飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性，載荷輸入越準(zhǔn)確，就能設(shè)計(jì)出更加合理可靠的機(jī)體結(jié)構(gòu)，便可以有效的減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)的重量，提高飛機(jī)的飛行性能。載荷設(shè)計(jì)的常用方法是進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為載荷設(shè)計(jì)依據(jù)，這是最可靠的方法。那么在風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠的情況下，如何得到更加精確的的載荷就是作為一名載荷設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的問(wèn)題。

本文將兩種不同的分塊積分法得到的測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與部件測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析兩種方法的準(zhǔn)確度。

2 分塊積分法

2.1 二維平面分塊積分法

二維平面分塊積分法，以側(cè)向力系數(shù)處理為例：

第一步，分塊：

取所計(jì)算部件的側(cè)向投影，首先將相鄰測(cè)壓剖面按照平面距離的中間位置分割，再將相鄰的測(cè)壓點(diǎn)進(jìn)行連線，然后取相鄰直線的中點(diǎn)再次連線，這些中點(diǎn)之間連線與剖面分割線將側(cè)向投影分成n個(gè)微元（n為測(cè)壓點(diǎn)的個(gè)數(shù)），然后取出這些塊的面積Si，以及質(zhì)心坐標(biāo)Xi，Yi;

第二步，積分：

上述式中的為參考面積。

2.2 三維分塊積分法

介紹在三維數(shù)模上分塊方法時(shí)以某型機(jī)天線罩為例，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，該天線罩上共有4個(gè)測(cè)壓剖面18個(gè)測(cè)壓孔，每個(gè)測(cè)壓剖面上的測(cè)壓孔數(shù)量如圖1所示，分別為1個(gè)、5個(gè)、5個(gè)和7個(gè)，其中2、3、4剖面的測(cè)壓孔都在同一個(gè)平面上。

首先第一剖面的唯一一個(gè)測(cè)壓孔與第二剖面的第三個(gè)測(cè)壓孔之間做直線，再將這條直線法向投影到天線罩上得到一條曲線，取這條曲線的中點(diǎn)，以及第一剖面的唯一一個(gè)測(cè)壓孔與第二剖面第一點(diǎn)和第五點(diǎn)之間的兩條曲線的中點(diǎn)，由著3個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)平面，然后取這個(gè)平面與天線罩的交線（曲線1）作為第一剖面和第二剖面之間的分割線，同理分別作出曲線2和曲線3作為另外兩條剖面之間的分割線。取出第二、第三測(cè)壓剖面測(cè)壓孔所在平面與天線罩的交線曲線5和曲線6，再取第二、第三剖面各自的第一和第二測(cè)壓孔之間的曲線的中點(diǎn)，在然后用這兩個(gè)中點(diǎn)和第一剖面的測(cè)壓孔確定的平面與天線罩的交線作為第二和第三剖面的第一和第二測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)塊的分割線;同理可以作出第二和第三剖面其它測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)塊的分割線。取出第四剖面各相鄰測(cè)壓孔之間曲線的中點(diǎn)，然后按這些中點(diǎn)在曲線4的比率投影到曲線3上，再作出這些中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)投影點(diǎn)的連線，再將連線法向投影到天線罩上，投影得到的曲線即作為第四剖面測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)塊之間的分割線。最后作出模型的三向投影，取出各向分塊對(duì)應(yīng)的面積和質(zhì)心。

上述在三維空間分塊時(shí)作分割線的方法不一定固定，但效果近似即可。

2.3 兩種分塊方法得到分塊結(jié)果比較

比較兩種方法的分塊結(jié)果時(shí)以圖1中的天線罩為例，圖2～圖4為兩種分塊方法分塊后的效果圖，從圖2～圖4中可以看出，各測(cè)壓孔對(duì)應(yīng)塊的差別明顯，對(duì)各個(gè)塊的面積及質(zhì)心有著顯著的影響。

以該天線罩的航向投影面積為例，表1是取出圖2中兩種分塊結(jié)果的航向投影面積，從表中可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)塊的面積均不相同，且絕大多數(shù)微元的面積有較大的變化。由于在同一個(gè)狀態(tài)下，各個(gè)測(cè)壓孔的壓力系數(shù)Cpi是相同的，同時(shí)在計(jì)算力系數(shù)的時(shí)候使用的參考面積也是相同的，則從式（1）可以看出只有分塊的面積Si會(huì)影響到力系數(shù)的最終計(jì)算結(jié)果，而從式（2）和式（3）中可以發(fā)現(xiàn)，天線罩的壓心坐標(biāo)受各個(gè)塊面積的影響，還受到各個(gè)塊的質(zhì)心的影響，在本文中暫不討論各個(gè)塊的質(zhì)心對(duì)天線罩壓心坐標(biāo)的影響。

3 兩種分塊積分法對(duì)最終結(jié)果及強(qiáng)度校核加載的影響

3.1兩種分塊方法對(duì)最終結(jié)果影響的比較

為了分析兩種分塊方法對(duì)最終積分結(jié)果的影響，還是以上面提到的天線罩為例，利用數(shù)值模擬計(jì)算了該天線罩在不同狀態(tài)下的三向力系數(shù)，并取出表1中對(duì)應(yīng)測(cè)壓孔的壓力系數(shù)Cpi ，然后按照兩種不同的分塊結(jié)果進(jìn)行積分求出相應(yīng)的力系數(shù)。

從圖5中可以看出，兩種分塊方法處理得到的三向力系數(shù)都與真實(shí)結(jié)果在規(guī)律上保持了一致，但是使用三維分塊積分法處理得到的三向力系數(shù)更加接近部件測(cè)力的試驗(yàn)結(jié)果，這說(shuō)明使用三維分塊積分法來(lái)處理風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠有效的提高載荷的準(zhǔn)確度。

從兩種分塊積分法的分快處理方法上來(lái)看，二維分塊積分法對(duì)同一個(gè)部件需要進(jìn)行三次分塊處理，如果將三次分塊的邊界線從二維平面反推回到三維空間，會(huì)發(fā)現(xiàn)三次的分塊是完全不一樣的，而對(duì)于同一個(gè)模型上的測(cè)壓點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這樣的做法是不應(yīng)該的，對(duì)于三向力系數(shù)來(lái)說(shuō)所對(duì)應(yīng)的微元應(yīng)該是不變的，而三維分塊積分法同一個(gè)部件只進(jìn)行了一次分快處理，每一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的微元保持不變，在處理方法上更為合理。

前面提到的都是在外形相對(duì)比較規(guī)則的模型上進(jìn)行，如果模型外形不夠規(guī)則，有明顯的拐角，或者局部曲率過(guò)大，這時(shí)候分塊就不能直接用中點(diǎn)間的連線來(lái)分塊，必須要考慮拐角和大曲率的區(qū)域，這時(shí)候如果繼續(xù)選擇在二維模型上進(jìn)行分塊，最后的載荷準(zhǔn)確性就會(huì)大大的降低，而在三維模型上分塊，就可以更加合理的對(duì)拐角和大區(qū)率區(qū)域進(jìn)行分塊。

4 結(jié)論

通過(guò)前文中的分析和對(duì)比結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，在測(cè)壓數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行分塊積分之前，對(duì)模型進(jìn)行合理的分塊很重要，相比于二維分塊積分法，采用三維分塊積分法在三維模型上進(jìn)行分塊，第一，分塊結(jié)果會(huì)更加合理，特別是對(duì)有大曲率變化的以及有拐角的不規(guī)則曲面，能夠有效的規(guī)避不合理甚至是錯(cuò)誤的分塊;第二，最終的測(cè)壓數(shù)據(jù)處理結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，這個(gè)準(zhǔn)確將不只是體現(xiàn)在力系數(shù)上，合理的分塊，最終計(jì)算出的壓心也會(huì)更加準(zhǔn)確。

總的來(lái)說(shuō)，測(cè)壓數(shù)據(jù)處理時(shí)采用三維分塊積分法，能夠有效的提高載荷的準(zhǔn)確性，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的載荷輸入，有助于設(shè)計(jì)出更加合理可靠的機(jī)體結(jié)構(gòu)。