全尺寸栅格舵铰链力矩天平研制

2012-04-17陈建中易国庆谭显慧

实验流体力学 2012年1期

陈建中，易国庆，彭超，谭显慧

（1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191；2.中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000）

0 引言

格栅舵是由外部框架和内部众多的薄格壁布置成框架形式或蜂窝形式的空间多升力面系统，见图1。作为一种新型的气动控制舵面，在中国自主研制的飞行器中的应用尚属空白，对其气动性能尤其是舵控系统操纵性能的认识缺乏工程实用经验。为研究某飞行器带控制系统全尺寸栅格舵的气动特性，评估舵控系统性能，气动中心在FL－24（1.2m×1.2m）风洞构建了单独栅格舵全尺寸模型带控制系统试验平台，并开展了相应试验技术研究。法向力大，铰链力矩小是栅格舵模型载荷的一大特点，开展高速风洞试验研究的瓶颈在于研制高灵敏度气动测试天平［1］。

图1 格栅翼的两种形式Fig.1 Two styles of grid fin

1 天平设计方案

1.1 天平支撑方案及载荷匹配要求

栅格舵模型展向尺寸比较大，且需要连接舵控系统，在风洞中只能采用风洞侧壁支撑方式，见图2。受风洞驻室空间限制，天平的设计总长只能做到350mm左右。根据模型最大载荷估算，在M＝0.4～3.0条件下，模型法向力与其余各气动分量的比值见表1。按照常规高速风洞天平载荷匹配指标要求［2］，在这样有限长度范围内设计该天平的难度非常大。为确保风洞试验安全，满足天平的强度、刚度校核要求，不得不适量放大天平Mx匹配载荷，最终确定的天平设计载荷指标见表2。

图2 天平及模型支撑系统示意图Fig.2 The sketch of balance and model support system

表1 模型匹配载荷Table 1 Matching loads of the model

表2 设计载荷（单位：N、N·m）Table 2 Design loads（Units：N、N·m）

1.2 天平结构设计

对高速风洞常规应变天平而言，常规天平的长度与直径之比一般为6～10［3］。为缩短天平总长，增加元件布置空间，在天平的两个端面采用了法兰盘代替传统的锥连接方式，最终确定的长度为350mm。同时，为了增加强度要求，天平直径必须加大，通过有限元分析发现，天平直径须做到260mm。在元件的布置上，为保证各元有足够的空间，同时兼顾天平的强度、刚度和灵敏度，采用了元件串联结构，这种布局的优点在于每个元件段互不干涉，独立承担和传递全部载荷，同时，通过调节各元件段之间的等直段长度，尽量减小了天平各元件段之间的相互干扰，容易获得较高的灵敏度。

针对法向力Y，轴向力Z，在元件设计中采用了“工”梁放大结构，尽量提高这两个元的灵敏度；针对铰链力矩Mx，在元件的设计中采用了“三片梁”结构，中间梁主要承受天平的全部载荷，通过调节两侧的测量梁可以在本身强度变化很小的情况下让Mx的应变量实现最大。最终完成的天平设计数模见图3。

图3 天平结构布局示意图Fig.3 The sketch of balance structure

2 元件灵敏度分析

利用ANSYS与UGII的几何接口，将几何模型导入ANSYS，划分网格，并在天平校心位置，分别加载表2所列载荷，得到天平各元件贴片表面的应变云图，如图4所示，各元应变计中心处的应变如表3所示。由图4及表3可见，Y、Mz及My的应变输出最大，Z和Mx输出相对较小，根据以往天平设计经验，此种天平元件灵敏度输出，能够分辨出模型气动力结果。

图4 天平各元件灵敏度分析结果Fig.4 Every element of balance sensitivity analyzed result

表3 天平各元平均应变Table 3 Average strain of balance

3 强度校核分析

天平材料采用00Ni18Co8Mo5TiAl（工程上称F141），由于模型载荷比较特殊，为确保试验的安全，选择了M＝0.9～3.0的载荷进行了分段强度校核。图5给出了典型M数载荷有限元分析结果。可以看出最大应力点出现在测量Mz的大梁根部，表4给出了各M数下的强度校核结果。其中最小安全系数也在8以上，满足试验的强度要求。

图5 天平强度校核（单位：MPa）Fig.5 Intensity of the balance

表4 天平强度校核结果Table 4 Intensity strain of balance

4 粘贴、校准与电磁屏蔽措施

天平各分量均选择ZF1000－4AA（11）－X型号的常温应变计组成惠斯顿电桥，该电桥具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、测量精度高等优点。各电桥均采用精密直流稳压电源供电，粘贴电桥图见图6。静校坐标系为地轴系，校准方法同常规，静校结果见表5，各项静校指标合格。为避免舵机电磁干扰，采用了在天平外围包薄铜皮，以及在天平输出线和舵机控制线包锡箔纸，充分接地等措施，见图7。试验结果显示，该屏蔽措施效果良好。

图6 天平应变计粘贴位置图Fig.6 Strain gauge of balance sticking position

表5 天平静校性能指标Table 5 Balance static calibration index

图7 电磁干扰屏蔽措施Fig.7 Electromagnetic interfering shield step

5 典型试验结果

图8给出了M＝0.7，模型法向力系数静、动态测试结果对比曲线。由图可见，模型法向力系数随迎角（振幅）变化规律合理，静、动态结果的一致性较好，说明天平在不同工况下，工作状态正常，测试结果可信。

图8 模型法向力系数静、动态测试结果曲线（M＝0.7）Fig.8 Normal force coefficient curves of the model with static and dynamic state（M＝0.7）

图9，10给出了M＝0.7，振幅A＝4°，8°时，不同频率f条件下，模型铰链力矩系数Mx、舵控信号UK、舵机轴电位计反馈信号Uf1以及模型轴电位计反馈信号Uf2的时间历程曲线（图中，Δ为Mx单位）。从图中可以看出，Mx与Uf2的峰值信号对应一致，说明模型动态气动滞后现象非常弱，同时也说明天平的动态响应能力足够；从Mx变化规律还可以看出，天平灵敏度和抗电磁干扰的能力良好。