应变法载荷校准在飞艇尾翼的应用研究

2022-07-05王鹏飞伍少华

西安航空学院学报 2022年1期

王鹏飞，张伟，伍少华

(中国特种飞行器研究所试验与计量中心，湖北荆门 448035)

0 引言

飞艇属于浮空飞行器，利用氢气、氦气等比空气密度小的气体提供升力。根据结构的不同可将飞艇分为软式、半硬式和硬式三种。随着飞艇的需求趋于大型化，半硬式飞艇的发展日渐迅速。半硬式飞艇的特点是通过气囊中气体压力和刚性骨架的共同作用来保持外形。在飞艇设计过程中，载荷的正确输入是结构设计的关键。目前载荷主要由CFD仿真计算和模型风洞试验获得，但这两种方法均以飞艇刚性模型为对象，未考虑飞艇柔性结构以及受载后外形变化等因素的影响，因此有必要借鉴飞机实测载荷的方法进行验证和修正载荷，从而进一步优化设计。目前，载荷飞行实测的方法主要有压力测量法、位移测量法和应变电桥法等，这些方法已经广泛用于飞机、火箭、导弹等飞行器研制过程。由于飞艇软结构柔性蒙皮的特性，压力测量法和位移测量法难以在飞艇上应用。

载荷飞行实测应变电桥法的基本原理是在结构上提前设置测载站位并进行应变电桥改装，而后进行地面校准载荷加载和电桥应变测量，建立载荷和电桥应变间的载荷方程。在载荷飞行实测中，将测量所得的电桥应变响应代入载荷方程即可得到真实载荷。可见，载荷飞行测试应变电桥法的关键在于应变电桥载荷地面校准及构建载荷方程。

Skopinski等研究了应变法载荷校准基本原理和载荷方程系数计算方法，并进行了大量实验研究。Allen等引入神经网络方法对载荷方程应变电桥元素的选取和方程精度的关系进行了研究探索。Volanthen等对于复合结构的监测进行了研究。国内应变电桥载荷校准方法研究工作起步较晚，但发展较快。王兆东和金秀芬等针对民用飞机载荷校准和飞行测试的适航性发展进行了综述分析。国内学者采用不同的方法对提高载荷方程的精度也进行了大量研究。闫楚良等提出了飞机机翼结构载荷测量试验力学模型与数据处理方法，并在疲劳飞行载荷谱实测中进行了应用。综上，国内外应变电桥载荷校准方法研究较多，但均以硬式蒙皮飞行器为研究对象，关于具有软结构、柔性蒙皮的飞行器的相关研究鲜有报道。本文以某大型载人飞艇尾翼为研究对象，对载荷校准进行试验研究，试验校准得到的尾翼载荷方程使用校验工况对其精度进行了对比分析。

1 应变校准法理论

飞艇尾翼主要功能是保持飞艇飞行状态的稳定及对其进行操控实现飞艇机动飞行。尾翼在飞行中承受气动载荷和自身结构重量产生的惯性载荷，这两种载荷叠加后即为某时刻尾翼的真实飞行总载荷。尾翼载荷一般包括翼面结构所承受的弯矩、剪力和扭矩，将尾翼简化为悬臂梁后任一测载站位的载荷情况如图1所示。

图1 翼面载荷示意图

在实际飞行中结构的力学性能在线弹性范围内，因此结构某站位的应变可以转换为多个载荷加载后线性累计的和，应变值与受载的载荷方程可表示为

=1+2+3

(1)

式中：为测载站位电桥应变值；为测载剖面第个应变电桥；为测载站位弯矩载荷；为测载站位剪力载荷；为测载站位扭矩载荷；1、2、3为第个应变电桥的系数。

设尾翼上任意一点坐标为(,)，则该点的弯矩和扭矩用剪力表示为

(2)

设结构试验件共布置了个电桥，则剪力方程为

(3)

当结构上加载载荷与应变电桥数量相等时有

(4)

对于式(4)可采用线性回归法求解方程系数

(5)

式中，为广义载荷，根据式(1)～(5)即可获取到基于应变函数的载荷方程表达式。

2 应变电桥布置

应变电桥载荷校准方法应变电桥布置位置至关重要，决定了载荷方程的有效性和准确性。应变电桥的布置应满足载荷响应灵敏度高、线性度高，且各应变电桥相互之间耦合程度低的要求。可通过对飞艇尾翼结构建立有限元模型并进行应变计算分析来确定应变电桥的合适位置。

某大型载人飞艇尾翼由安定面和舵面组成，为典型半硬式结构，其基本骨架结构为2A12铝合金材料，外部蒙皮为URE3216软性材料。根据飞艇手册中尾翼结构典型载荷工况，骨架结构主要模拟飞行转弯、机动等载荷工况，蒙皮主要模拟阵风载荷工况。两载荷工况通过等效原理分配至有限元模型节点加载，尾翼骨架和蒙皮计算结果云图分别示于图2和图3。

图2 尾翼骨架计算结果云图

图3 尾翼蒙皮计算结果云图

根据有限元分析结果可知，应变应力响应值较大部位在安定面前后梁展向中间部位。由于软性材料仅承受载荷且材料延伸率高，不利于加装应变片，因此在铝合金梁、肋结构上加装应变电桥。结合尾翼结构细节，在展向尾翼根部和尾翼中部共布置2个测载站位，如图4所示。每个站位前、后梁布置弯矩、剪力电桥，在中间梁布置测扭电桥，共布置电桥数量为20个，具体分布详见表1。同时按照1∶1比例布置和安装备份电桥。

图4 尾翼应变电桥布置站位

表1 应变电桥布置位置及编号

3 试验及结果分析

地面校准试验时尾翼为水平安装，根部通过海绵、尼龙搭扣固定至刚性立柱模拟根部约束状态。同时在尾翼张力绳索安装点，使用拉伸刚度相同直径为6 mm的钢丝绳按照理论计算所得角度斜向固定，模拟真实张力约束状态。

试验加载包括单点加载和多点加载两种类型，其中多点加载包括点2、3、4和8共同加载工况。考虑尾翼柔性结构局部强度的限制，加载点选在尾翼梁肋组成的蒙皮单元内，且单元理论形心点为具体加载位置。试验使用重物模拟加载载荷，共设置19个加载点，其中安定面加载点15个，舵面加载点4个，共组成28个加载工况。试验载荷大小选取为限制载荷的40%，加载过程以试验载荷的10%为基数进行分级加载，加载重物载荷和电桥响应分级点采记录保存。在尾翼翼尖布置位移传感器，监测试验过程中尾翼变形情况，以保证试验安全。图5为尾翼加载现场图，图6给出了2号站位典型电桥加载响应曲线。

图5 尾翼载荷校准试验加载图

图6 应变电桥响应曲线图

从图6可知，在三次加载卸载过程中，应变电桥的变化趋于一致，说明试验加载和电桥响应稳定性高且具有可重复性。图7所示为应变电桥响应与分级载荷间的载荷-响应曲线，这些曲线的线性分析指数均在0.95以上，说明电桥应变在载荷加载卸载过程中呈线性响应。

图7 应变电桥响应线性图

采用文献[1]中线性回归方法对获取的试验数据求解载荷方程系数，得到多个对应的载荷方程，并根据文献[2]中剩余标准差和检验误差的方法选出最终的载荷方程，如表2所示。弯矩方程主要由2～3个弯矩电桥确定，通过1个剪力电桥进行修正；剪力方程仅选取2～3个布置在前后梁上的剪力测试电桥即可满足；扭矩方程由数量较多的扭矩电桥同时配合前后梁上的剪力电桥组成，这说明扭矩方程对三种应变电桥的耦合度相对较高。

表2 校准载荷方程表

参考尾翼载荷分布设计多个载荷校验试验工况，分别对2号站位的载荷方程进行实测并和方程计算结果进行对比，表3给出了数据归一化后的对比数据及误差。由表3可知，校验工况加载的弯矩、剪力载荷方程计算值和试验实测值基本吻合，其中误差最大的仅为3.18%。由表3还可知，扭矩载荷计算值和试验实测值误差相对较大，最大误差达7.62%，但仍满足尾翼误差不超过10%的要求。以上校验结果说明前述所得载荷方程合理。对于扭矩载荷方程个别载荷工况计算值与实测值间误差较大主要是由于载荷方程项中扭矩电桥数量较少导致的。