多支撐天平測量技術研究與應用*

李 勇，趙長輝，于衛青

(1 中國航空工業空氣動力研究院， 沈陽 110034; 2 西安現代控制技術研究所， 西安 710065)

0 引言

風洞天平[1]是飛行器風洞測力試驗[2]的主要測量設備，在風洞試驗中發揮著不可替代的作用。多為六分量測力天平，以單支撐的方式進行試驗測量。此種支撐測量方式的優點為力的傳遞路徑單一，使用一臺六分量風洞天平即可滿足測量需求，且對于測量的載荷處理簡單方便。隨著導彈、飛機等新型號的研制和發展，越來越多的雙支撐結構，多支撐結構的測量試驗開始有了新的需求，例如民機的雙支撐測力風洞試驗，實彈雙支撐舵面展開鉸鏈力矩試驗，導彈掛載荷飛行三支撐測力試驗等。目前業界對多個支撐方式測量的方案，考慮較多的是采用多個測量元件連接到不同的支撐端，通過不同元件上的應變橋組合得到總體的測量各分量，整體進行校準標定和試驗測量[3]，認為此種方法更能夠模擬實際的使用狀態。但此種整體標定測量法的缺點是被測物的多個支撐端必須都為完全約束狀態(見圖1)，且使用過程中各約束連接端與多個天平元件的連接要始終保持不變，即天平元件連接端不能夠進行拆裝，方案原理(見圖2)。由靜力分布原理我們可以知道過約束狀態的連接，重新連接后內力分布必然發生改變，也意味著傳遞的總體力按著一個新的規則進行傳遞。故整體標定測量法拆裝后必須對天平進行重新標定再使用。且目前被測物的使用狀態多為部分約束放開狀態(如圖3所示)。此種約束的多支撐結構由于加工誤差及連接間隙等問題導致各支撐上的內力分布極其不穩定，用整體標定測量法根本無法實現測量要求。因此我們設想了多分量天平單獨校準組合測量法(如圖4所示)，可有效解決多支撐的測量問題。

圖2 整體標定測量法原理圖

圖3 多支撐非全約束力學簡圖

圖4 多分量天平單獨校準組合測量原理圖

1 技術方案原理

根據力傳遞原理，整體力經多臺多分量天平傳遞到固定端，每臺多分量天平感應的力即為該天平固定端分配到的外力及結構內力，所有多天平的合力即為整個系統所受外力。初始狀態整體載荷見公式(1)，受載狀態整體載荷見公式(2)，受載狀態與初始狀態的差量即為被測載荷。需要指出由于連接及配合間

隙等問題被測物受載不同時在各天平上的內力分布是發生變化的，即初始狀體的某一天平內力與受載狀態的內力的分配比例是不相等的，但內力之和在不同狀態下是相等的，見公式(4)。

F0=f1g+f1內(F0)+f2g+f2內(F0)+f3g+

f3內(F0)+…+fng+fn內(F0)

(1)

F1=f1g+f1內(F1)+f1外載(F1)+f2g+f2內(F1)+

f2外載(F1)+…+fng+fn內(F1)+fn外載(F1)

(2)

F1-F0=F外載

(3)

(f1內(F0)+f2內(F0)+f3內(F0)+…+fn內(F0))-

(f1內(F1)+f2內(F1)+f3內(F1)+…+fn內(F1))=0

(4)

式中:F0為初始狀態各天平合力；F1為受載狀態各天平合力；F外載為測量外載的總體載荷；fg為不同狀態下各天平的重力；f內為不同狀態下各天平的內力；f外載為不同狀態下各天平分擔的外載；下標1，2，3，…，n代表各天平序號。

2 某掛飛測量應用

對于某導彈進行掛載飛行測力，支撐端的約束狀態為前吊掛全約束，中、后吊掛在彈體軸向自由其余固定約束。采用3臺六分量測力天平進行組合測量掛飛載荷,見圖5。

圖5 測力系統總體結構圖

2.1 各天平設計載荷計算與選取

由于設計輸入條件為XX彈的整體載荷，而測力天平的設計需要知道每個吊掛的受力情況。由于彈與掛架連接為靜不定結構，采用常規的力學計算方法計算比較復雜。實際設計中采用ANSYS有限元軟件對本結構進行計算，模型結構見圖6、圖7。各天平計算結果與最終的設計載荷選取見表1。

2.2 各天平設計應變

設計中采用材料力學經驗公式對天平各元應變進行計算，同時也采用有限元法對設計應變進行驗證性計算，兩結果比較一致。設計應變見表2。

圖6 彈體三維模型

2.3 各天平校準準度指標

天平校準標定系統選用中航氣動院BACS1500全自動天平校準臺[4]，采用多元校[5]進行加載校準。各天平校準準度指標接近國軍標先進水平，見表3。

圖7 吊掛及天平三維模型

表1 各天平的計算載荷與設計載荷選取

載荷X/NY/NZ/NMx/(N·m)My/(N·m)Mz/(N·m)前天平計算值3 0008 5738 506413317202前天平設計值3 0008 0008 000400300300中天平計算值05 0975 33833216972中天平設計值2 0006 0006 000400300300后天平計算值06 8606 59531914069后天平設計值2 0006 0006 000400300300

2.4 組合加載驗證

文中系統在中航空導院強度實驗架進行加載驗證，施力機構是電動缸，測力裝置是拉力傳感器。由于設備功能限制本次驗證加載只施加了升力、側力、阻力和滾轉力矩4個分量的力。加載方法是以彈的參考中心為參考點對彈整體施加載荷，測量計算加載結果。施加載荷分為單元加載和組合加載兩種。各工況的測量誤差均在5%以內，詳見表4。由于該整體加載驗證裝置是為彈體靜強度實驗使用建設的，其加載的精、準度不高。故該結果僅可作為評估使用，系統實際測量結果應優于驗證加載指標。整體準度標定需要加工準確的力加載裝置，方法參考常規天平準度計算方法即可。

表2 各天平設計應變

表3 各天平靜態校準準度

表4 試驗彈模型驗證加載結果

3 結論

1)多分量天平單獨校準組合測量法可以較好的解決多支撐試驗測量問題。

2)多分量天平單獨校準組合測量法不受各支撐的約束形式的限制，適用范圍更加廣泛。

3)通過某掛飛測力試驗測量的實際應用，證明了多分量天平單獨校準組合測量法的技術合理性。目前該方法已經應用到多個型號的掛飛測量實驗[6-7]及風洞實彈雙支撐舵面展開鉸鏈力矩試驗中。