一臺大載荷比Φ32 mm六分量天平的研制

崔智強,李 勇,王世紅,趙長輝

(中國航空工業(yè)空氣動力研究院,遼寧 沈陽 110034)

隱身巡航導(dǎo)彈[1-2]以其難探測、難防御的特點被世界各國所重視,研制該種導(dǎo)彈就需要進行風(fēng)洞試驗。根據(jù)隱身巡航導(dǎo)彈氣動布局特點來研制與其載荷相匹配的測力天平[3-4],是保證試驗精準的關(guān)鍵。隱身巡航導(dǎo)彈一般為大展弦比、長機身構(gòu)型,氣動上具有高升阻比的特點;同時,相對扁平的彈身和V形尾舵,決定了低側(cè)向力的氣動特性,即氣動載荷上是較大的升阻比和較大的升側(cè)比。常規(guī)風(fēng)洞測力天平阻力、側(cè)力及偏航力矩量程遠大于隱身布局導(dǎo)彈模型的實際氣動載荷,用大量程的天平去測量很小的氣動力,無疑會引起阻力、側(cè)力和偏航力矩較大的測量誤差。因此,有必要根據(jù)隱身巡航導(dǎo)彈模型的氣動載荷特點,設(shè)計出具有較高阻力、側(cè)力、偏航力矩測量精準度的專用天平。

1 天平設(shè)計載荷及直徑的選取

根據(jù)某隱身巡航導(dǎo)彈模型外形,采用CFD計算方法進行氣動力的載荷估算,并選取天平的設(shè)計載荷,見表1。表中,Fx為阻力,Fy為升力,Fz為側(cè)力,Mx為滾轉(zhuǎn)力矩,My為偏航力矩,Mz為俯仰力矩。根據(jù)模型使用情況選取天平直徑32 mm。

表1 天平設(shè)計載荷

2 天平設(shè)計的主要技術(shù)難點

由天平的設(shè)計載荷可以知道該天平的縱、橫向載荷比為21∶1,而常規(guī)的桿式天平該比一般在2∶1～5∶1之間。因此在保證天平橫向測量元件的縱向剛度的同時,提高天平橫向載荷測量的靈敏度是天平設(shè)計的一大難點。

由天平的設(shè)計載荷可以知道該天平的升阻比為42∶1,而常規(guī)的桿式天平該比一般在15∶1～20∶1之間。因此在保證天平阻力測量元件縱向剛度的同時,提高天平阻力測量的靈敏度是天平設(shè)計的又一難點。

3 天平結(jié)構(gòu)方案研究與選取

目前常規(guī)使用天平的總體結(jié)構(gòu)為并聯(lián)結(jié)構(gòu),前后柱梁結(jié)構(gòu)組合測量天平除阻力之外的其他分量,采用“T”型梁為阻力元件結(jié)構(gòu),測量天平阻力,如圖1所示。由于此種結(jié)構(gòu)天平組合程度過高,對于大載荷比的設(shè)計條件,很難同時得到所有分量的滿意設(shè)計輸出。根據(jù)本次設(shè)計背景知道,本天平設(shè)計的阻力與側(cè)力測量量值較小,載荷不匹配比較嚴重,這是設(shè)計考慮的主要問題。因此,采用小量獨立分離設(shè)計方案是本次設(shè)計的主要指導(dǎo)思想。阻力測量元件在并聯(lián)結(jié)構(gòu)天平上是獨立的結(jié)構(gòu),可以采用力放大的方法解決阻力小量設(shè)計輸出問題。而側(cè)力測量元件在并聯(lián)結(jié)構(gòu)天平上是與其他元件共用的結(jié)構(gòu),因此需要采用獨立分離出來的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法來解決側(cè)力小量設(shè)計輸出問題。

3.1 側(cè)力測量結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計載荷的特點,側(cè)力測量量值較小,達到較大的靈敏度且與偏航力矩進行組合測量的難度比較大,故本方案選擇獨立分離元件結(jié)構(gòu)進行測量。借鑒經(jīng)典桿式天平的“1”字阻力元件結(jié)構(gòu),采用多片的薄片梁結(jié)構(gòu)進行支撐,“1”字敏感元件進行側(cè)力感應(yīng),此種結(jié)構(gòu)特點是僅對側(cè)力比較敏感,對其他載荷的承載能力較強。本方案選取20片厚0.7 mm的支撐梁進行支撐,用敏感元件為厚2 mm、高6 mm的矩形梁進行感應(yīng)測量。

動求解方程的系數(shù)和程序,見圖7。最終六連桿并聯(lián)復(fù)位機構(gòu)滿足了復(fù)位指標角的精度±3″和線位移精度±0.03 mm的要求。

3.2 阻力測量結(jié)構(gòu)

阻力是測量量中的最小量,要實現(xiàn)阻力的測量,同樣需要解決阻力元件結(jié)構(gòu)對其他載荷的承擔及阻力敏感元件的測量靈敏度問題。阻力元件支撐問題的解決是通過增加支撐梁數(shù)量、減薄支撐量厚度的方法來實現(xiàn)。此種支撐結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)阻力元件對其他載荷支撐的同時使測量量損失最小。本方案選取的支撐量數(shù)目20片,厚、長、高分別為0.6 mm、7.5 mm、9 mm。提高測量敏感元件靈敏度的方法是借鑒經(jīng)典桿式天平的“π”型阻力元件結(jié)構(gòu)。利用該結(jié)構(gòu)的力的放大功能,增加元件的偏心距離,來獲得元件測量部位的較大的彎矩,從而得到較大的靈敏度輸出,本方案的偏心距選取6 mm,設(shè)計中可根據(jù)實際情況繼續(xù)增加偏心距離,達到增加靈敏度輸出的目的。

3.3 其他力的測量結(jié)構(gòu)

主要的不匹配量解決后,其他的測量分量采用阻力元件結(jié)構(gòu)前后的2個矩形梁元件進行測量,通過調(diào)整矩形梁的長寬比及前后矩形梁的距離,很容易得到4個力的較理想的靈敏度輸出。

3.4 天平結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)本項目測量載荷特點研制的天平結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中,阻力與側(cè)力測量元件為單獨的元件結(jié)構(gòu)，其余元件為組合元件結(jié)構(gòu)。

4 天平設(shè)計應(yīng)變計算

采用材料力學(xué)經(jīng)驗公式對天平各測量元件尺寸進行調(diào)整及優(yōu)化后,采用有限元法進行驗證計算。兩者計算結(jié)果比較詳見表2。表中,εFx,εFy,εFz分別為阻力、升力和側(cè)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變;εMx,εMy,εMz分別為滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩作用下的應(yīng)變。天平各元設(shè)計應(yīng)變在1.5×10-4～7×10-4之間,滿足風(fēng)洞應(yīng)變天平的設(shè)計規(guī)范要求,天平設(shè)計應(yīng)變云紋圖見圖3～圖8。

εFxεFyεFzεMxεMyεMz有限元計算結(jié)果2.02×10-46.49×10-43.73×10-46.60×10-43.11×10-43.24×10-4材料力學(xué)計算結(jié)果1.85×10-46.46×10-43.68×10-46.50×10-43.10×10-43.20×10-4

5 天平加工和粘貼

該天平的加工主要采用電火花與線切割等工藝加工。由于天平載荷不匹配情況比較嚴重,大量對小量的干擾將是校準中的主要難題,通過天平系數(shù)矩陣的修正無法完全消除。因此,物理結(jié)構(gòu)上減小干擾也是得到較高校準準度的必要措施。該天平的前、后錐及阻力、側(cè)力元件的各梁的形位公差都有更為嚴格的要求,均小于0.01 mm。

天平粘貼選用高精度金屬應(yīng)變計,組橋采用惠氏頓全橋法,同時在橋路中串聯(lián)溫度敏感電阻對溫度影響的零點漂移進行補償調(diào)節(jié)[5],以達到天平零點溫度影響最小。

6 天平校準

天平校準標定的方案及過程對天平測量精、準度具有很大的影響[6-7]。由于本天平載荷比較大,天平安裝姿態(tài)角度誤差帶來的大載荷量對小載荷量的干擾會較大。因此,天平校準中對于天平的安裝姿態(tài)進行了嚴格的控制,采用激光跟蹤儀進行加載頭初始定位的角度位置測量,角度誤差為30″,線性誤差為0.05 mm。校準采用全自動激光測量反饋的體軸天平校準系統(tǒng),復(fù)位精度可達4″,有效保證了天平校準整個過程的姿態(tài)位置準確。天平校準準度達到使用要求,詳見表3。表中,Δ表示絕對誤差,δ為相對誤差,3δ為極限誤差。天平溫度靈敏度影響修正[8]是通過20 ℃與60 ℃ 2種狀態(tài)對天平進行加載得到溫度影響系數(shù),進而在試驗中對其進行修正。

表3 天平校準準度指標

7 天平動校風(fēng)洞實驗

試驗?zāi)Ｐ筒捎媚畴[身巡航彈模型,以Ma=0.8時試驗重復(fù)性的形式給出天平動校結(jié)果。試驗結(jié)果表明本天平精度優(yōu)于常規(guī)天平,接近先進指標范圍。天平試驗精度詳見表4。表中,α為實驗攻角;σMx,σMy,σMz分別為滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩的5次均方差;σFx,σFy,σFz分別為阻力、升力和側(cè)力的5次均方差。

表4 天平試驗精度

8 結(jié)束語

大載荷比Φ32 mm六分量天平設(shè)計是成功的。天平性能穩(wěn)定,動校精度達到了國軍標的先進水平。目前該天平已成功地應(yīng)用到型號實驗之中。

大載荷比Φ32 mm六分量天平總體結(jié)構(gòu)布置比較合理,各元件的尺寸設(shè)計得當,在具有較好剛度的同時達到小阻力、小側(cè)力的小量載荷精確測量的目的。

大載荷比Φ32 mm六分量天平研制的成功,為類似隱身巡航導(dǎo)彈氣動布局模型測力天平的研制及載荷極不匹配測力天平的研制提供了借鑒。