新型四分量片式铰链力矩天平研制与应用*

潘华烨,张青川,王树民

(1 中国科技大学近代力学系, 安徽合肥 230027; 2 中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

新型四分量片式铰链力矩天平研制与应用*

潘华烨1,2,张青川1,王树民2

(1 中国科技大学近代力学系, 安徽合肥 230027; 2 中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

受试验模型和天平结构等条件限制,目前高速风洞片式铰链力矩天平精准度不高,而且难以实现轴向力测量,影响试验数据质量。针对该问题,设计了多柱梁对称元件结构以及新型组合式电桥方案,研制出一种可以有效测量轴向力的四分量片式铰链力矩天平,并成功应用于某飞机模型舵面铰链力矩测力试验。校准数据以及试验结果表明,该天平精准度优于常规片式结构三分量片式天平,能有效提高试验数据质量,有很好的应用价值。

铰链力矩;风洞试验;风洞天平

0 引言

操纵面铰链力矩试验是飞机气动设计阶段主要的风洞试验项目之一,其目的在于测定飞行器各操纵面的气动力和相对于转轴的铰链力矩的大小,为选择或者设计操纵装置合适的助力器以及设计舵面形状提供依据[1-2]。

铰链力矩天平是风洞铰链力矩测力试验中最核心的装置,承担着测量待测舵气动载荷以及连接待测舵与本体的重任,其品质直接决定着试验质量好坏甚至试验成败[3-5]。对于飞机模型,天平一般直接固定于机翼内部,受空间限制,天平通常只能采用片式结构,设计中主要考虑天平的放置及安装问题,精准度相对较低,所以,如何设计片式天平成为飞机模型舵面铰链力矩测力试验的瓶颈。长期以来,高速风洞片式铰链力矩天平均采用无轴向力(阻力)测量结构,忽略天平轴向力测量后,阻力对法向力以及铰链力矩的干扰无法得到准确的修正,对舵面法向力以及压心位置的准确测量有较大影响。随着我国航天航空技术的发展,特别是先进飞行器研制的开展,对铰链力矩试验数据的质量要求越来越高,传统的三分量片式天平已经无法满足部分试验的要求,迫切需要具有更高精准度的天平[4]。文中依托于某飞机模型铰链力矩试验,研制出一种新型结构带轴向力测量的四分量片式铰链力矩天平,达到了提高试验数据精准度的目的。

1 天平设计

1.1 舵面铰链力矩试验受力分析

目前用于飞机舵面铰链力矩试验的片式天平大多是三分量,即测量相对于天平自身轴系的法向力以及舵面气动力绕铰链轴的铰链力矩和绕天平自身轴线的滚转力矩。新研制的四分量天平就是在三分量的基础上加入了轴向力测量分量。

进行舵面铰链力矩风洞试验受力分析如图1所示。假设在某模型的铰链力矩试验中,天平置于模型机翼空腔内,天平校准中心与铰链轴重合,模型攻角为0°。

图1 舵面铰链力矩试验受力分析示意图

由图1可以得到舵面载荷和天平测量载荷之间的关系:

(1)

有轴向力FXt测量情况下,舵面的法向力FNd根据式(1)计算,舵面弦向压心距离L通过下式计算:

L=Mj/FNd

(2)

式中Mj为铰链力矩。

(3)

则有轴向力和没有轴向力测量计算得到的舵面法向力相对误差εN以及弦向压心距离相对误差εL为:

(4)

(5)

从受力分析看出,忽略了FXd以后,得到的舵面法向力绝对值偏小,弦向压心距离偏大。

1.2 天平研制难点

某飞机模型铰链力矩测力风洞试验是比较典型的舵面铰链试验,依托该试验开展新型四分量片式铰链力矩天平的研制具有普遍性意义。根据测力试验要求,天平研制必须克服以下困难:

1)为更准确测量舵面的气动载荷,需要加入阻力测量单元。在片式天平设计中,各测量单元灵敏度的设计是相互影响和制约的,几何外形也受到很大限制,如何平衡各测量元之间的输出以及干扰是一大难点,加入阻力测量单元,势必加剧这一问题。

2)待测舵面位于机翼末端,展向尺寸380 mm,最厚处厚度只有10 mm,展向尺寸长而且薄,天平必须具有较大展向尺寸,若天平尺度过小,舵面将产生较大的滚转变形,与实际不符,导致试验结果误差大而且无法修正[3]。而当前大尺度片式铰链力矩天平普遍存在由于无法克服连接应力和翘曲变形影响,精准度较低,一般低于1%。

3)试验马赫数从0.4到0.8,与低速风洞相比,天平需要测量更大的载荷。在低速风洞中曾经采用过轴向力单独设计的四分量铰链力矩天平[4],但是该结构天平沿轴向尺寸较大,刚度较弱,因而舵面变形大,天平和模型之间需要更大的间隙,造成试验难度加大以及试验攻角范围缩减。所以此次必须采用新的结构。

4)片式铰链力矩天平受结构限制,天平所受载荷极不匹配,通常造成天平法向力测量输出小,分辨率低。此外,按照常规方法设计的天平一端固定于机翼,中间是测量元件,另一端连接舵面,天平元件的几何中心到舵面转轴的距离较远,一般几倍于舵面压心到铰链轴的距离,因此舵面气动载荷产生的附加力矩远大于舵面相对于铰链轴的铰链力矩,所以在保证天平具有足够的灵敏度前提下,还要尽可能使天平几何中心靠近铰链轴,以减小附加力矩的干扰。

综上,必须设计出大尺度、大载荷、高精准度并含有轴向力测量单元的片式结构铰链力矩天平才能达到目的,设计难度很大。

1.3 四分量铰链力矩天平设计

针对以上困难,在经验分析的基础上,使用Unigraphics以及Ansys/Mechanical软件进行了大量的仿真和优化[6],实验了多种方案,成功设计出如图2所示的结构,满足了试验要求。

图2 四分量铰链力矩天平

该天平具有以下特点:

1)多柱梁对称元件结构设计

传统的片式天平都是通过片梁的弯曲变形来测量舵面的升力和铰链力矩,由于附加力矩较大,天平各测量单元输出差距大,灵敏度难以匹配,结构很难变动。此次设计中改变了以往的结构,使用对称布局的3对矩形梁结构完成对4个分量的测量,其中铰链力矩通过柱梁的扭转变形来测量,法向力、滚转力矩以及轴向力通过柱梁的弯曲变形来测量。该方案不用单独设置轴向力测量元件,天平结构简单、紧凑,灵敏度匹配合理,受载应变输出均匀,很好的解决了载荷难以匹配的问题。因为是柱梁结构作为测量元件,也避免了片式天平难以克服翘曲和连接应力的问题。

2)采用双固支超静定结构连接方案

新结构天平用一整块高强度金属材料制成,天平横向两端分别与支撑模型(机翼)固连,天平中部设计了连接段与被测模型(舵面)连接(图4)。与传统三分量天平(图3)相比,该方案中天平和舵面的连接部分与天平元件几何中心基本处于同一弦向位置上,天平元件几何中心到舵面铰链轴的距离只有15 mm,而按照常规设计一般需要在30 mm以上,最大限度的缩短了铰链轴与天平中心的距离,有效的减小了天平的附加力矩。同时,天平支撑更加稳固,天平与舵面的连接刚度有一定提高,有效的解决了常规片式天平连接刚度弱的问题。

图3 传统三分量片式天平安装示意图

图4 四分量铰链力矩天平安装示意图

图5 应变计粘贴示意图

3)新型组桥方案

根据天平结构特点和测量方式,设计了组合电桥测量方案,如图5所示。其中M1～M6是惠斯通电桥,数字编号表示应变计(括弧中的编号表示下对称位置),Y、Mj、Mx、X分别表示升力、铰链力矩、滚转力矩和轴向力。应变计全部使用300 Ω阻值的专用箔式应变计,根据电桥的电流限制,M1～M4供电10 V,M5和M6供电5 V。

采用组合电桥测量方案,不仅可以有效提高法向力和滚转力矩单元的输出,便于各单元输出平衡,还可以抵消铰链力矩对升力和滚转力矩的干扰以及法向力和铰链力矩相互之间的干扰。在该种方案中没有对轴向力单元和铰链力矩单元进行组合,主要是因为铰链力矩单元的输出已经足够大,而轴向力主要作为修正量,首先应保证铰链力矩的测量。

2 天平静校

新型四分量天平在BCL-2000准体轴系校准架上使用专用加载装置进行了静态校准[7-8],并将天平固定端连接至机翼进行了加载检验,校准及加载结果见表1。其中,设计载荷是根据测量舵面最大计算载荷加上最大可能误差给出,平均应变是通过有限元计算得到的在施加最大设计载荷时天平上相关应变计位置处的应变平均值,实际最大输出是在施加天平设计载荷时,组合电桥输出与零载荷时的差值。机翼加载误差是对于加载真值的相对误差,用于检验天平、天平计算公式以及整套测量系统的综合误差。从结果可以看出,各单元的输出都比较理想,较常规三分量片式天平,Mx的输出变化不大,但是法向力的输出信号得到了有效增强,X作为修正量其输出也是足够的,此外,天平综合校准的精准度也优于大部分常规三分量片式天平[9]。将天平安装于机翼时,由于超静定结构影响,天平的初读数有了一定变化,但是天平加载结果正常,基本不受影响。

表1 天平设计载荷参数和静校结果

3 风洞试验及数据分析

某型飞机舵面铰链力矩试验于2013年8月在中国空气动力研究与发展中心的FL-26跨声速风洞完成,图6是天平安装在飞机模型上的照片(未装盖板)。从图中可以看到下端的四分量天平与上端的传统三分量天平的对比,很明显,新型四分量天平元件几何中心到舵面铰链轴的距离要小于三分量天平元件几何中心到舵面铰链轴的距离。

图6 天平安装图

图7给出了3次重复性试验的对比曲线,从试验结果可以看出,舵面法向力系数和铰链力矩系数的试验重复性很好,曲线规律正常。所以,天平的测量结果是可靠的[10]。

图7 天平测量数据重复性曲线(Ma=0.7,α=20°)

图8 试验结果对比曲线

图8是采用式(1)、式(2)和式(3)分别进行计算得到的对比曲线图,可以看出,在天平不测量轴向力时,得到的舵面法向力偏小,弦向压心距离绝对值偏大,而且εN和εL与模型迎角无关。在表2中给出了20°舵面在不同马赫数下的最大|εN|和|εL|,2个相对误差都随着马赫数的升高而变大,最大相对误差超过3%,可见,天平加入轴向力测量是有必要的。

表2 不同马赫数下的最大|εN|和|εL|

4 结论

依托某飞机模型铰链力矩试验研制了一种新型四分量片式铰链力矩天平,通过天平研制以及静态校准和风洞试验数据分析,得到以下结论:

1)新型天平的研制非常成功。不仅可以有效测量轴向力,而且具有结构合理、灵敏度高、性能稳定、精准度高等优点,完全满足试验要求。

2)与传统片式天平相比,新天平结构紧凑,极大的减小了天平的附加力矩,与模型的连接方式更加稳固可靠,采用的组合电桥方案有效的提高了天平的输出信号,使得天平灵敏度的匹配更加容易。新型天平的研制成功为片式铰链力矩天平设计提供了一种全新的参考,可以推广用于其他铰链力矩试验,能有效提升试验质量。

3)对于高马赫数大角度舵面试验,轴向力测量对风洞试验数据的影响较大,非常有必要在测力天平中加入轴向力测量单元。

[1] 王发祥. 高速风洞实验 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[2] 李周复. 风洞特种试验技术 [M]. 北京: 航空工业出版社, 2010.

[3] 熊琳, 刘展, 陈河梧. 舵面天平技术及其在高超声速风洞的应用研究 [J]. 实验流体力学, 2007, 21(3): 55 -57.

[4] 刘喜贺, 王天昊, 邱俊文, 等. 四分量片式铰链力矩天平技术及风洞实验应用研究 [J]. 实验流体力学, 2011, 25(2): 88-91.

[5] 陈丽, 赵协和, 刘维亮, 等. 提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术研究 [J]. 流体力学实验与测量, 2002, 16(3): 51-56.

[6] 彭云, 谢新跃. 虚拟样机与天平研制 [J]. 流体力学实验与测量, 2004, 18(3): 83-87.

[7] 孔德永, 吴桂馥. 舵面铰链力矩的估算 [J]. 空气动力学学报, 2005, 23(2): 263-266.

[8] 白静, 解亚军. 风洞翼型天平校准技术 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(6): 169-172.

[9] 贺德馨. 风洞天平 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.

[10] 张平, 赵长辉, 刘博宇. 套筒式张线天平研制 [J]. 实验流体力学, 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

潘华烨(1982-),男,甘肃临洮人,工程师,硕士,研究方向:风洞天平研制与应用。

TH715.1;V211.74

A