新型四分量片式鉸鏈力矩天平研制與應用*

潘華燁,張青川,王樹民

(1 中國科技大學近代力學系, 安徽合肥 230027; 2 中國空氣動力研究與發展中心, 四川綿陽 621000)

新型四分量片式鉸鏈力矩天平研制與應用*

潘華燁1,2,張青川1,王樹民2

(1 中國科技大學近代力學系, 安徽合肥 230027; 2 中國空氣動力研究與發展中心, 四川綿陽 621000)

受試驗模型和天平結構等條件限制,目前高速風洞片式鉸鏈力矩天平精準度不高,而且難以實現軸向力測量,影響試驗數據質量。針對該問題,設計了多柱梁對稱元件結構以及新型組合式電橋方案,研制出一種可以有效測量軸向力的四分量片式鉸鏈力矩天平,并成功應用于某飛機模型舵面鉸鏈力矩測力試驗。校準數據以及試驗結果表明,該天平精準度優于常規片式結構三分量片式天平,能有效提高試驗數據質量,有很好的應用價值。

鉸鏈力矩;風洞試驗;風洞天平

0 引言

操縱面鉸鏈力矩試驗是飛機氣動設計階段主要的風洞試驗項目之一,其目的在于測定飛行器各操縱面的氣動力和相對于轉軸的鉸鏈力矩的大小,為選擇或者設計操縱裝置合適的助力器以及設計舵面形狀提供依據[1-2]。

鉸鏈力矩天平是風洞鉸鏈力矩測力試驗中最核心的裝置,承擔著測量待測舵氣動載荷以及連接待測舵與本體的重任,其品質直接決定著試驗質量好壞甚至試驗成敗[3-5]。對于飛機模型,天平一般直接固定于機翼內部,受空間限制,天平通常只能采用片式結構,設計中主要考慮天平的放置及安裝問題,精準度相對較低,所以,如何設計片式天平成為飛機模型舵面鉸鏈力矩測力試驗的瓶頸。長期以來,高速風洞片式鉸鏈力矩天平均采用無軸向力(阻力)測量結構,忽略天平軸向力測量后,阻力對法向力以及鉸鏈力矩的干擾無法得到準確的修正,對舵面法向力以及壓心位置的準確測量有較大影響。隨著我國航天航空技術的發展,特別是先進飛行器研制的開展,對鉸鏈力矩試驗數據的質量要求越來越高,傳統的三分量片式天平已經無法滿足部分試驗的要求,迫切需要具有更高精準度的天平[4]。文中依托于某飛機模型鉸鏈力矩試驗,研制出一種新型結構帶軸向力測量的四分量片式鉸鏈力矩天平,達到了提高試驗數據精準度的目的。

1 天平設計

1.1 舵面鉸鏈力矩試驗受力分析

目前用于飛機舵面鉸鏈力矩試驗的片式天平大多是三分量,即測量相對于天平自身軸系的法向力以及舵面氣動力繞鉸鏈軸的鉸鏈力矩和繞天平自身軸線的滾轉力矩。新研制的四分量天平就是在三分量的基礎上加入了軸向力測量分量。

進行舵面鉸鏈力矩風洞試驗受力分析如圖1所示。假設在某模型的鉸鏈力矩試驗中,天平置于模型機翼空腔內,天平校準中心與鉸鏈軸重合,模型攻角為0°。

圖1 舵面鉸鏈力矩試驗受力分析示意圖

由圖1可以得到舵面載荷和天平測量載荷之間的關系:

(1)

有軸向力FXt測量情況下,舵面的法向力FNd根據式(1)計算,舵面弦向壓心距離L通過下式計算:

L=Mj/FNd

(2)

式中Mj為鉸鏈力矩。

(3)

則有軸向力和沒有軸向力測量計算得到的舵面法向力相對誤差εN以及弦向壓心距離相對誤差εL為:

(4)

(5)

從受力分析看出,忽略了FXd以后,得到的舵面法向力絕對值偏小,弦向壓心距離偏大。

1.2 天平研制難點

某飛機模型鉸鏈力矩測力風洞試驗是比較典型的舵面鉸鏈試驗,依托該試驗開展新型四分量片式鉸鏈力矩天平的研制具有普遍性意義。根據測力試驗要求,天平研制必須克服以下困難:

1)為更準確測量舵面的氣動載荷,需要加入阻力測量單元。在片式天平設計中,各測量單元靈敏度的設計是相互影響和制約的,幾何外形也受到很大限制,如何平衡各測量元之間的輸出以及干擾是一大難點,加入阻力測量單元,勢必加劇這一問題。

2)待測舵面位于機翼末端,展向尺寸380 mm,最厚處厚度只有10 mm,展向尺寸長而且薄,天平必須具有較大展向尺寸,若天平尺度過小,舵面將產生較大的滾轉變形,與實際不符,導致試驗結果誤差大而且無法修正[3]。而當前大尺度片式鉸鏈力矩天平普遍存在由于無法克服連接應力和翹曲變形影響,精準度較低,一般低于1%。

3)試驗馬赫數從0.4到0.8,與低速風洞相比,天平需要測量更大的載荷。在低速風洞中曾經采用過軸向力單獨設計的四分量鉸鏈力矩天平[4],但是該結構天平沿軸向尺寸較大,剛度較弱,因而舵面變形大,天平和模型之間需要更大的間隙,造成試驗難度加大以及試驗攻角范圍縮減。所以此次必須采用新的結構。

4)片式鉸鏈力矩天平受結構限制,天平所受載荷極不匹配,通常造成天平法向力測量輸出小,分辨率低。此外,按照常規方法設計的天平一端固定于機翼,中間是測量元件,另一端連接舵面,天平元件的幾何中心到舵面轉軸的距離較遠,一般幾倍于舵面壓心到鉸鏈軸的距離,因此舵面氣動載荷產生的附加力矩遠大于舵面相對于鉸鏈軸的鉸鏈力矩,所以在保證天平具有足夠的靈敏度前提下,還要盡可能使天平幾何中心靠近鉸鏈軸,以減小附加力矩的干擾。

綜上,必須設計出大尺度、大載荷、高精準度并含有軸向力測量單元的片式結構鉸鏈力矩天平才能達到目的,設計難度很大。

1.3 四分量鉸鏈力矩天平設計

針對以上困難,在經驗分析的基礎上,使用Unigraphics以及Ansys/Mechanical軟件進行了大量的仿真和優化[6],實驗了多種方案,成功設計出如圖2所示的結構,滿足了試驗要求。

圖2 四分量鉸鏈力矩天平

該天平具有以下特點:

1)多柱梁對稱元件結構設計

傳統的片式天平都是通過片梁的彎曲變形來測量舵面的升力和鉸鏈力矩,由于附加力矩較大,天平各測量單元輸出差距大,靈敏度難以匹配,結構很難變動。此次設計中改變了以往的結構,使用對稱布局的3對矩形梁結構完成對4個分量的測量,其中鉸鏈力矩通過柱梁的扭轉變形來測量,法向力、滾轉力矩以及軸向力通過柱梁的彎曲變形來測量。該方案不用單獨設置軸向力測量元件,天平結構簡單、緊湊,靈敏度匹配合理,受載應變輸出均勻,很好的解決了載荷難以匹配的問題。因為是柱梁結構作為測量元件,也避免了片式天平難以克服翹曲和連接應力的問題。

2)采用雙固支超靜定結構連接方案

新結構天平用一整塊高強度金屬材料制成,天平橫向兩端分別與支撐模型(機翼)固連,天平中部設計了連接段與被測模型(舵面)連接(圖4)。與傳統三分量天平(圖3)相比,該方案中天平和舵面的連接部分與天平元件幾何中心基本處于同一弦向位置上,天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離只有15 mm,而按照常規設計一般需要在30 mm以上,最大限度的縮短了鉸鏈軸與天平中心的距離,有效的減小了天平的附加力矩。同時,天平支撐更加穩固,天平與舵面的連接剛度有一定提高,有效的解決了常規片式天平連接剛度弱的問題。

圖3 傳統三分量片式天平安裝示意圖

圖4 四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

圖5 應變計粘貼示意圖

3)新型組橋方案

根據天平結構特點和測量方式,設計了組合電橋測量方案,如圖5所示。其中M1～M6是惠斯通電橋,數字編號表示應變計(括弧中的編號表示下對稱位置),Y、Mj、Mx、X分別表示升力、鉸鏈力矩、滾轉力矩和軸向力。應變計全部使用300 Ω阻值的專用箔式應變計,根據電橋的電流限制,M1～M4供電10 V,M5和M6供電5 V。

采用組合電橋測量方案,不僅可以有效提高法向力和滾轉力矩單元的輸出,便于各單元輸出平衡,還可以抵消鉸鏈力矩對升力和滾轉力矩的干擾以及法向力和鉸鏈力矩相互之間的干擾。在該種方案中沒有對軸向力單元和鉸鏈力矩單元進行組合,主要是因為鉸鏈力矩單元的輸出已經足夠大,而軸向力主要作為修正量,首先應保證鉸鏈力矩的測量。

2 天平靜校

新型四分量天平在BCL-2000準體軸系校準架上使用專用加載裝置進行了靜態校準[7-8],并將天平固定端連接至機翼進行了加載檢驗,校準及加載結果見表1。其中,設計載荷是根據測量舵面最大計算載荷加上最大可能誤差給出,平均應變是通過有限元計算得到的在施加最大設計載荷時天平上相關應變計位置處的應變平均值,實際最大輸出是在施加天平設計載荷時,組合電橋輸出與零載荷時的差值。機翼加載誤差是對于加載真值的相對誤差,用于檢驗天平、天平計算公式以及整套測量系統的綜合誤差。從結果可以看出,各單元的輸出都比較理想,較常規三分量片式天平,Mx的輸出變化不大,但是法向力的輸出信號得到了有效增強,X作為修正量其輸出也是足夠的,此外,天平綜合校準的精準度也優于大部分常規三分量片式天平[9]。將天平安裝于機翼時,由于超靜定結構影響,天平的初讀數有了一定變化,但是天平加載結果正常,基本不受影響。

表1 天平設計載荷參數和靜校結果

3 風洞試驗及數據分析

某型飛機舵面鉸鏈力矩試驗于2013年8月在中國空氣動力研究與發展中心的FL-26跨聲速風洞完成,圖6是天平安裝在飛機模型上的照片(未裝蓋板)。從圖中可以看到下端的四分量天平與上端的傳統三分量天平的對比,很明顯,新型四分量天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離要小于三分量天平元件幾何中心到舵面鉸鏈軸的距離。

圖6 天平安裝圖

圖7給出了3次重復性試驗的對比曲線,從試驗結果可以看出,舵面法向力系數和鉸鏈力矩系數的試驗重復性很好,曲線規律正常。所以,天平的測量結果是可靠的[10]。

圖7 天平測量數據重復性曲線(Ma=0.7,α=20°)

圖8 試驗結果對比曲線

圖8是采用式(1)、式(2)和式(3)分別進行計算得到的對比曲線圖,可以看出,在天平不測量軸向力時,得到的舵面法向力偏小,弦向壓心距離絕對值偏大,而且εN和εL與模型迎角無關。在表2中給出了20°舵面在不同馬赫數下的最大|εN|和|εL|,2個相對誤差都隨著馬赫數的升高而變大,最大相對誤差超過3%,可見,天平加入軸向力測量是有必要的。

表2 不同馬赫數下的最大|εN|和|εL|

4 結論

依托某飛機模型鉸鏈力矩試驗研制了一種新型四分量片式鉸鏈力矩天平,通過天平研制以及靜態校準和風洞試驗數據分析,得到以下結論:

1)新型天平的研制非常成功。不僅可以有效測量軸向力,而且具有結構合理、靈敏度高、性能穩定、精準度高等優點,完全滿足試驗要求。

2)與傳統片式天平相比,新天平結構緊湊,極大的減小了天平的附加力矩,與模型的連接方式更加穩固可靠,采用的組合電橋方案有效的提高了天平的輸出信號,使得天平靈敏度的匹配更加容易。新型天平的研制成功為片式鉸鏈力矩天平設計提供了一種全新的參考,可以推廣用于其他鉸鏈力矩試驗,能有效提升試驗質量。

3)對于高馬赫數大角度舵面試驗,軸向力測量對風洞試驗數據的影響較大,非常有必要在測力天平中加入軸向力測量單元。

[1] 王發祥. 高速風洞實驗 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2003.

[2] 李周復. 風洞特種試驗技術 [M]. 北京: 航空工業出版社, 2010.

[3] 熊琳, 劉展, 陳河梧. 舵面天平技術及其在高超聲速風洞的應用研究 [J]. 實驗流體力學, 2007, 21(3): 55 -57.

[4] 劉喜賀, 王天昊, 邱俊文, 等. 四分量片式鉸鏈力矩天平技術及風洞實驗應用研究 [J]. 實驗流體力學, 2011, 25(2): 88-91.

[5] 陳麗, 趙協和, 劉維亮, 等. 提高測量最大鉸鏈力矩試驗數據精準度的有效模擬技術研究 [J]. 流體力學實驗與測量, 2002, 16(3): 51-56.

[6] 彭云, 謝新躍. 虛擬樣機與天平研制 [J]. 流體力學實驗與測量, 2004, 18(3): 83-87.

[7] 孔德永, 吳桂馥. 舵面鉸鏈力矩的估算 [J]. 空氣動力學學報, 2005, 23(2): 263-266.

[8] 白靜, 解亞軍. 風洞翼型天平校準技術 [J]. 彈箭與制導學報, 2011, 31(6): 169-172.

[9] 賀德馨. 風洞天平 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2002.

[10] 張平, 趙長輝, 劉博宇. 套筒式張線天平研制 [J]. 實驗流體力學, 2012, 26(4): 101-104.

Development and Application of a Novel Four Components Plate Type Hinge Moment Balance

PAN Huaye1,2,ZHANG Qingchuan1,WANG Shumin2

(1 Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China; 2 China Aerodynamics Research and Development Centre, Sichuan Mianyang 621000, China)

By the limitation of the testing model and balance structure, wind tunnel balance’s precision and accuracy is lower, and it’s hard to measure axial force of the control flap in high wind tunnel testing, so the quality of the testing data can be influenced. For solving this question, multi-beam symmetrical structure and a new combined bridge scheme had been designed, finally, a novel four components plate type hinge moment balance had been completed, which can measure axial force efficacious and was used in certain airplane model control flap hinge moment testing successfully. The calibration results and the test data shows that the balance’s precision and the accuracy is better than normal three components plate type hinge moment balance, use such type of balance can increase the quality of the testing data efficiently which has good application value.

hinge moment; wind tunnel testing; wind tunnel balance

2014-03-30

潘華燁(1982-),男,甘肅臨洮人,工程師,碩士,研究方向:風洞天平研制與應用。

TH715.1;V211.74

A