翼型测力天平的研制

2012-04-15赵长辉李国文王为铭

实验流体力学 2012年3期

李勇，赵长辉，李国文，王为铭

（1.中国航空工业空气动力研究院，沈阳 110034；2.沈阳航空航天大学，沈阳 110136）

0 引言

由于阻力很小且载荷极不匹配，测力实验难度较大，故翼型风洞实验基本上采用测压实验的方法。但对翼型结冰状态的载荷变化规律进行研究时，由于测压点会被冰晶堵住，所以测量压力的方法根本就不能使用。而对翼型进行测力实验便成为了唯一的方法。翼型结冰实验的目的是测量翼型在逐渐结冰情况下的载荷变化情况。为满足该实验的要求就必须根据翼型载荷的特点设计一台应变天平。天平主要测量的气动力有翼型的升力、俯仰力矩、阻力。实验翼型为NACA 0018，弦长300mm，展长300mm，实验风速15m／s，迎角范围－2°～12°。

1 天平设计载荷的选取

根据翼型标准参数计算模型气动载荷，兼顾实验安全性及装配安全性选取天平的设计载荷，对升力将计算载荷增加10倍，俯仰力矩增加11倍，阻力增加26倍，设计载荷的选取如表1。

表1 翼型计算载荷与天平设计载荷Table 1 Assumed loads of airfoil and design loads of balance

2 天平结构方案设计

支撑方式的选择直接决定测量载荷与天平体的位置关系，是确定天平结构的主要方面。考虑到翼型载荷较小，流场内部的支撑对测量的影响会比较大，故采用侧壁支撑。天平直径的选择也是设计的关键，综合考虑模型空间、天平元件尺寸、天平刚度等要求确定天平直径为φ18mm。同时根据天平的支撑方式与直径进行具体的结构设计。

2.1 阻力测量结构

根据设计载荷的特点，阻力测量量值最小，必须独立进行测量。为获得必要的输出信号，测量元件必须较长，但需要保证整体的刚度并考虑其它测量载荷的干扰影响，故单一的阻力测量元件不能满足测量要求。所以设计时在天平体的前后两端各安排两个独立的阻力测量元件，元件由0.8mm厚的6个片梁组成。测量时采用两个元件输出叠加的方法进行计算。

2.2 升力与俯仰力矩测量结构

由于阻力元件采用了两个独立元件进行测量已经增加了天平的长度，为不使天平的长度过长而影响整体的刚度，升力与俯仰力矩的测量元件部分就要尽量缩短，且要在同一个元件结构上完成两个分量的测量。设计中采用了四柱梁的结构。该结构的优点是对测量的两个分量敏感，且对非测量分量的抗干扰性好。

2.3 天平结构图

天平结构见图1。

图1 天平结构图Fig.1 Schematic of balance structure

2.4 天平结构原理及计算方法

阻力元件为片梁组合元件［1］，如图2。用片梁1测量阻力，计算时将阻力平移到测量元件的中心，转化后相应的力与力矩为F、M。

在力F的作用下，片梁1可简化为一个超静定梁。根据刚度分配的原理，可得片梁1所受的力Fb1为：

式中：Iy1、Iy2、……Iyn分别为片梁1、2、……n截面对Y轴的惯性矩。

片梁1在F作用下的最大应力σFmax为：

片梁1在F作用下的最大弯矩发生在两端，大小为：

在力矩M的作用下片梁1可简化为一个悬臂梁。根据刚度分配的原理，片梁1所受的力矩为：

式中：Iy1、Iy2、……Iyn分别为片梁1、2、……n截面对Y 轴的惯性矩，ρ1、ρ2、……ρn分别为片梁1、2、……n截面中心到Y轴的距离，S1、S2、……Sn分别为片梁1、2、……n截面面积。

这样就可以求出阻力作用下片梁上的应力，即为σFmax与σMmax叠加之和。同理根据变形协调一致原则计算升力及俯仰力矩作用下的测量应变。

图2 阻力片梁组合元件的计算模型Fig.2 Calculation model of sheet－beam element of drag

3 天平设计计算

天平的设计计算分别采用传统材料力学方法与有限元优化设计方法。选取优化的目标为升力与俯仰力矩对阻力的干扰最小。材料力学计算应变为：εY＝460με，εMZ＝120με，εX＝40με。有限元优化计算应变为：εY＝450με，εMZ＝123με，εX＝40.7με。两者最大相差10με，计算结果比较一致，证明设计计算较为可靠。有限元法强度校核的最大应力为177MPa，满足安全要求。如图3所示。

4 天平粘贴

为满足测量载荷要求，共粘贴20片M－M公司的SA－06－045AL－350高精度微型应变计，采用610型环氧酚醛树脂粘贴剂。610型粘贴剂允许的胶层厚度小于0.005mm，具有迟滞、蠕变小，延伸容量高及适应温度范围广等特点。测量桥路为四路如图4、5，升力为4片应变片组桥，俯仰力矩为8片应变片组桥，阻力为天平体轴线前后的各4片应变片组桥。组桥计算公式为：

图4 天平应变片粘贴位置图Fig.4 Paste position of balance＇s strain gauge

图5 天平测量电桥组成图Fig.5 Balance measurement bridge

式中：UY为升力输出信号，UMz为俯仰力矩输出信号，UX为阻力输出信号。

5 天平校准

天平校准采用地轴系单元校准的方法，天平各单元校准准度均达到了国军标的合格水平，见表2。

表2 天平校准准度Table 2 Calibration accuracy of balance

6 天平风洞实验

实验在低速开口结冰风洞进行。为防止温度影响，模型采用有机玻璃材料，天平安装隔温保护罩。实验时天平各元回零较好，动态性能稳定。实验曲线趋势及规律合理。由图6可看出，翼型阻力随冰层的增长而增大，当冰层增长到弦长1%时，阻力系数增长5%左右，当冰层增长到弦长2%时，阻力系数增长10%左右。翼型升力随冰层的增长而减小，当冰层增长到弦长1%时，升力系数减小5%左右，当冰层增长到弦长2%时，升力系数减小10%左右。