多支撑天平测量技术研究与应用*

李 勇，赵长辉，于卫青

(1 中国航空工业空气动力研究院， 沈阳 110034; 2 西安现代控制技术研究所， 西安 710065)

0 引言

风洞天平[1]是飞行器风洞测力试验[2]的主要测量设备，在风洞试验中发挥着不可替代的作用。多为六分量测力天平，以单支撑的方式进行试验测量。此种支撑测量方式的优点为力的传递路径单一，使用一台六分量风洞天平即可满足测量需求，且对于测量的载荷处理简单方便。随着导弹、飞机等新型号的研制和发展，越来越多的双支撑结构，多支撑结构的测量试验开始有了新的需求，例如民机的双支撑测力风洞试验，实弹双支撑舵面展开铰链力矩试验，导弹挂载荷飞行三支撑测力试验等。目前业界对多个支撑方式测量的方案，考虑较多的是采用多个测量元件连接到不同的支撑端，通过不同元件上的应变桥组合得到总体的测量各分量，整体进行校准标定和试验测量[3]，认为此种方法更能够模拟实际的使用状态。但此种整体标定测量法的缺点是被测物的多个支撑端必须都为完全约束状态(见图1)，且使用过程中各约束连接端与多个天平元件的连接要始终保持不变，即天平元件连接端不能够进行拆装，方案原理(见图2)。由静力分布原理我们可以知道过约束状态的连接，重新连接后内力分布必然发生改变，也意味着传递的总体力按着一个新的规则进行传递。故整体标定测量法拆装后必须对天平进行重新标定再使用。且目前被测物的使用状态多为部分约束放开状态(如图3所示)。此种约束的多支撑结构由于加工误差及连接间隙等问题导致各支撑上的内力分布极其不稳定，用整体标定测量法根本无法实现测量要求。因此我们设想了多分量天平单独校准组合测量法(如图4所示)，可有效解决多支撑的测量问题。

图2 整体标定测量法原理图

图3 多支撑非全约束力学简图

图4 多分量天平单独校准组合测量原理图

1 技术方案原理

根据力传递原理，整体力经多台多分量天平传递到固定端，每台多分量天平感应的力即为该天平固定端分配到的外力及结构内力，所有多天平的合力即为整个系统所受外力。初始状态整体载荷见公式(1)，受载状态整体载荷见公式(2)，受载状态与初始状态的差量即为被测载荷。需要指出由于连接及配合间

隙等问题被测物受载不同时在各天平上的内力分布是发生变化的，即初始状体的某一天平内力与受载状态的内力的分配比例是不相等的，但内力之和在不同状态下是相等的，见公式(4)。

F0=f1g+f1内(F0)+f2g+f2内(F0)+f3g+

f3内(F0)+…+fng+fn内(F0)

(1)

F1=f1g+f1内(F1)+f1外载(F1)+f2g+f2内(F1)+

f2外载(F1)+…+fng+fn内(F1)+fn外载(F1)

(2)

F1-F0=F外载

(3)

(f1内(F0)+f2内(F0)+f3内(F0)+…+fn内(F0))-

(f1内(F1)+f2内(F1)+f3内(F1)+…+fn内(F1))=0

(4)

式中:F0为初始状态各天平合力；F1为受载状态各天平合力；F外载为测量外载的总体载荷；fg为不同状态下各天平的重力；f内为不同状态下各天平的内力；f外载为不同状态下各天平分担的外载；下标1，2，3，…，n代表各天平序号。

2 某挂飞测量应用

对于某导弹进行挂载飞行测力，支撑端的约束状态为前吊挂全约束，中、后吊挂在弹体轴向自由其余固定约束。采用3台六分量测力天平进行组合测量挂飞载荷,见图5。

图5 测力系统总体结构图

2.1 各天平设计载荷计算与选取

由于设计输入条件为XX弹的整体载荷，而测力天平的设计需要知道每个吊挂的受力情况。由于弹与挂架连接为静不定结构，采用常规的力学计算方法计算比较复杂。实际设计中采用ANSYS有限元软件对本结构进行计算，模型结构见图6、图7。各天平计算结果与最终的设计载荷选取见表1。

2.2 各天平设计应变

设计中采用材料力学经验公式对天平各元应变进行计算，同时也采用有限元法对设计应变进行验证性计算，两结果比较一致。设计应变见表2。

图6 弹体三维模型

2.3 各天平校准准度指标

天平校准标定系统选用中航气动院BACS1500全自动天平校准台[4]，采用多元校[5]进行加载校准。各天平校准准度指标接近国军标先进水平，见表3。

图7 吊挂及天平三维模型

表1 各天平的计算载荷与设计载荷选取

载荷X/NY/NZ/NMx/(N·m)My/(N·m)Mz/(N·m)前天平计算值3 0008 5738 506413317202前天平设计值3 0008 0008 000400300300中天平计算值05 0975 33833216972中天平设计值2 0006 0006 000400300300后天平计算值06 8606 59531914069后天平设计值2 0006 0006 000400300300

2.4 组合加载验证

文中系统在中航空导院强度实验架进行加载验证，施力机构是电动缸，测力装置是拉力传感器。由于设备功能限制本次验证加载只施加了升力、侧力、阻力和滚转力矩4个分量的力。加载方法是以弹的参考中心为参考点对弹整体施加载荷，测量计算加载结果。施加载荷分为单元加载和组合加载两种。各工况的测量误差均在5%以内，详见表4。由于该整体加载验证装置是为弹体静强度实验使用建设的，其加载的精、准度不高。故该结果仅可作为评估使用，系统实际测量结果应优于验证加载指标。整体准度标定需要加工准确的力加载装置，方法参考常规天平准度计算方法即可。

表2 各天平设计应变

表3 各天平静态校准准度

表4 试验弹模型验证加载结果

3 结论

1)多分量天平单独校准组合测量法可以较好的解决多支撑试验测量问题。

2)多分量天平单独校准组合测量法不受各支撑的约束形式的限制，适用范围更加广泛。

3)通过某挂飞测力试验测量的实际应用，证明了多分量天平单独校准组合测量法的技术合理性。目前该方法已经应用到多个型号的挂飞测量实验[6-7]及风洞实弹双支撑舵面展开铰链力矩试验中。