基于三點(diǎn)支撐支架干擾試驗(yàn)的某翼身融合體模型研制

張彩成

（中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

對(duì)于增壓風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)而言，模型承受的載荷較大，模型主體材料需要選擇鋼材制作，模型重量較大。目前，對(duì)于增壓風(fēng)洞試驗(yàn)中使用的常規(guī)單支桿支撐這種支撐方式，應(yīng)用單支桿鏡像法進(jìn)行支架干擾試驗(yàn)過(guò)程中，涉及模型反裝。在支架干擾試驗(yàn)中，使用三點(diǎn)支撐這種支撐方式可以解決模型的反裝問(wèn)題。除此以外，使用該支撐方式還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）支撐的橫向剛度得到提高，可以降低模型試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)，提高試驗(yàn)精度；（2）采用分散的支撐點(diǎn)，使支桿分布于模型氣動(dòng)特性不敏感的區(qū)域，對(duì)精準(zhǔn)度的提高有幫助；（3）通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)模型與支桿的連接件，很大程度地消除了上下翼面之間的串流，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)度。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)模型的研究，多集中于增材制造、復(fù)合材料的應(yīng)用方面，對(duì)于使用三點(diǎn)支撐進(jìn)行支架干擾試驗(yàn)的增壓風(fēng)洞模型設(shè)計(jì)，尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)可供參考。

本文以某翼身融合體模型為研究對(duì)象，研制了一套基于三點(diǎn)支撐方式進(jìn)行支架干擾試驗(yàn)的模型，該模型用于增壓試驗(yàn)，需要兼顧單支桿支撐和三點(diǎn)支撐兩種支撐方式，考慮到模型重量的大小直接影響天平各元的測(cè)量精度，因此，模型的設(shè)計(jì)中需要在滿足模型剛強(qiáng)度要求的前提下，盡量減少模型重量，并對(duì)最終的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的剛強(qiáng)度校核。

1 模型設(shè)計(jì)輸入

模型擬進(jìn)行增壓試驗(yàn)，試驗(yàn)中正常試驗(yàn)時(shí)，采用單支桿支撐，支架干擾試驗(yàn)采用三點(diǎn)支撐，其中三點(diǎn)支撐系統(tǒng)的三個(gè)支桿位置均可調(diào)。模型的主要參數(shù)如下：模型縮比為1：24，模型展長(zhǎng)為3125mm，力矩參考點(diǎn)距機(jī)頭1167.667mm，在機(jī)身水平面以下40mm，試驗(yàn)時(shí)迎角范圍為-6°～26°，側(cè)滑角范圍為-18°～18°，試驗(yàn)風(fēng)速為70m/s，試驗(yàn)壓力范圍為1～3.8bar。模型數(shù)模和接口連接見圖1所示。模型的氣動(dòng)載荷見表1所示。

2 三點(diǎn)支撐簡(jiǎn)介

本文使用的三點(diǎn)支撐是單支桿腹撐風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行支架干擾試驗(yàn)的一種支撐方式，通過(guò)左、右兩側(cè)支桿和可伸縮尾支桿對(duì)模型起到支撐作用，左右兩側(cè)支桿和尾支桿與轉(zhuǎn)盤內(nèi)部外式天平進(jìn)行同步偏航轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)尾支桿的伸縮長(zhǎng)度變化實(shí)現(xiàn)模型俯仰姿態(tài)角變化。

圖1 某翼身融合體模型+接口數(shù)模

表1 模型體軸系極限氣動(dòng)載荷

三點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)見圖2所示。

圖2 三點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 模型(正裝)+單支桿腹撐

圖4 模型(正裝)+點(diǎn)支撐+安裝腹撐假支桿

圖5 模型(正裝)+三點(diǎn)支撐+不安裝腹撐假支桿

圖6 法宇航現(xiàn)有天平示意圖

3 模型詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）模型設(shè)計(jì)需考慮支架干擾修正試驗(yàn)中模型與三點(diǎn)支撐及天平的設(shè)計(jì)和安裝需求。通過(guò)三點(diǎn)支撐這種方式進(jìn)行支架干擾試驗(yàn)時(shí)，模型為正裝狀態(tài)，模型腹部安裝一根假支桿。通過(guò)外式壁面天平測(cè)量整個(gè)模型、假支桿及支撐系統(tǒng)的氣動(dòng)力，通過(guò)安裝在模型內(nèi)置的桿式天平測(cè)量假支桿的氣動(dòng)力，此時(shí)，天平前端為固定端，后端為測(cè)量端。通過(guò)帶、不帶假支桿狀態(tài)下氣動(dòng)力差量獲得支架對(duì)模型的干擾量和支桿氣動(dòng)力，再減去內(nèi)式天平測(cè)得的支桿氣動(dòng)力，獲得支架干擾量。正常試驗(yàn)時(shí)，安裝單支桿腹撐的系統(tǒng)見圖3，支架干擾試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b見圖4、5。

單支桿試驗(yàn)和支架干擾試驗(yàn)內(nèi)式天平的量程根據(jù)表1選擇，均采用現(xiàn)有桿式天平，分別為直徑φ92mm和直徑φ120mm天平，設(shè)計(jì)中，將天平安裝在力矩參考點(diǎn)位置。具體見圖6所示。

圖7 模型減重設(shè)計(jì)與連接設(shè)計(jì)示意圖

圖8 三點(diǎn)支撐走線示意圖

（2）減少模型重量。在滿足模型剛、強(qiáng)度前提下，模型除一些非承力部件如前機(jī)頭、海貍尾及蓋板選擇7075鋁合金外，模型主要承力部件如中機(jī)身、機(jī)翼、后機(jī)身及后機(jī)身口蓋等選擇合金鋼30CrMnSiA來(lái)加工各部件，但盡量將各部件設(shè)計(jì)成加強(qiáng)筋加空腔結(jié)構(gòu)；考慮到現(xiàn)有機(jī)床的加工能力，需要將模型主體部分將按照前機(jī)頭、中機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)翼等部分劃分，前機(jī)頭、中機(jī)身、后機(jī)身部分盡量設(shè)計(jì)減重蓋板，便于加工減重空腔；在前機(jī)頭設(shè)置平面以便于傳感器安裝；前機(jī)頭、后機(jī)身伸出圓形止口同中機(jī)身連接；機(jī)翼和中機(jī)身采用和梯形止口，梯形止口同中機(jī)身設(shè)計(jì)成為一體，模型可拆卸件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)堵塊。見圖7（a）、（b）所示。

（3）協(xié)調(diào)不同接口。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，需要考慮兩種不同支撐之間接口的匹配。設(shè)計(jì)中將單支桿及天平安裝在中機(jī)身腹部空腔內(nèi)；將三點(diǎn)支撐左右兩支桿分別安裝在左右兩側(cè)機(jī)翼上，而將尾支桿直接與模型海貍尾角度片連接，在機(jī)翼和海貍尾角度片上，設(shè)計(jì)凸出模型表面的接口與該支撐連接，并在三點(diǎn)支撐機(jī)構(gòu)的接口位置預(yù)留一定的，可左右串動(dòng)的調(diào)整量，以厚度方便調(diào)整的墊片作為固定左右移動(dòng)的工具，便于模型后續(xù)的安裝。見圖7（b）（c）（d）所示。

（4）方便金屬導(dǎo)線引出。在模型內(nèi)部，安裝有角度測(cè)量傳感器和應(yīng)變天平，在進(jìn)行三點(diǎn)支撐支架干擾試驗(yàn)時(shí)，這些導(dǎo)線需要從模型和天平之間的間隙引出，導(dǎo)線不能和天平產(chǎn)生刮碰，這樣引起力的傳遞，使天平測(cè)力不準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮支架干擾試驗(yàn)中將天平導(dǎo)線和各種傳感器線由三點(diǎn)支撐系統(tǒng)的尾支桿將導(dǎo)線引出，具體見圖8。

（5）支座反力求取。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)支架干擾試驗(yàn)時(shí)關(guān)鍵部位如機(jī)翼與中機(jī)身和后機(jī)身與前機(jī)身之間的螺栓組進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證模型在三點(diǎn)支撐試驗(yàn)時(shí)的可靠性，需要精準(zhǔn)的支座反力數(shù)據(jù)。

（6）整體剛強(qiáng)度校核。結(jié)構(gòu)剛度一定程度上影響著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度則決定著風(fēng)洞試驗(yàn)的安全性，因此，模型的剛強(qiáng)度是設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一個(gè)考量點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要進(jìn)行包含模型、天平及支撐接頭在內(nèi)的整體剛、強(qiáng)度計(jì)算。

整個(gè)系統(tǒng)初步的設(shè)計(jì)具體見圖9。

圖9 單支桿支撐試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

4 有限元計(jì)算

本文采用有CAE軟件ANSYS Workbench集成平臺(tái)的內(nèi)置解算器Static structural對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。計(jì)算的主要內(nèi)容包含兩種計(jì)算工況：?jiǎn)沃U支撐時(shí)模型的受載計(jì)算，三點(diǎn)支撐支架干擾試驗(yàn)時(shí)模型的受載計(jì)算。等效作用于天平校心的模型氣動(dòng)載荷數(shù)值見表1所示。重力的加載方法為在特定方向上施加重力加速度。

分析過(guò)程對(duì)計(jì)算模型做了以下簡(jiǎn)化：（1）所有的螺栓連接以及銷連接形式為綁定連接；（2）忽略結(jié)構(gòu)上不致影響結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的釘孔等細(xì)小特征；（3）兩種計(jì)算模型的邊界條件均為支座底部完全固定約束；（4）銷軸與三點(diǎn)支撐及模型接口之間的接觸以旋轉(zhuǎn)副（Revolute）的形式模擬。具體結(jié)果見圖10和表2。

圖10 有限元計(jì)算結(jié)果

表2 支架干擾試驗(yàn)支座反力計(jì)算結(jié)果

（1）分析圖10（a）（c）可知，結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力水平一般，兩種計(jì)算工況下最大應(yīng)力為258MPa，位于后機(jī)身，小于材料許用應(yīng)力值(278.3MPa)，結(jié)構(gòu)的其他部位應(yīng)力水平較低，滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)仍具有一定的減重空間。

（2）兩種工況下結(jié)構(gòu)最大變形量為3.62mm，位于前機(jī)頭前端。

（3）通過(guò)表2可見，支架干擾試驗(yàn)時(shí)，三組支桿的支座反力反向，其中尾支桿接頭承受10266N的壓力，兩側(cè)支桿承受拉力，因此，對(duì)于尾支桿接頭，除了必要的剛強(qiáng)度校核外，還需要進(jìn)行受壓失穩(wěn)的計(jì)算。

對(duì)尾支桿接頭進(jìn)行線性屈曲分析，施加的載荷為尾支桿的支座反力，尾支桿接頭的載荷系數(shù)為32.337，換算后的臨界壓力為載荷與載荷系數(shù)的乘積，為331.9kN，由此可知，尾支桿接頭在承受10266N的壓力情況下，不存在受壓失穩(wěn)問(wèn)題。分析結(jié)果見圖11所示。

5 模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

模型仍具有一定的減重空間，通過(guò)更改部分模型部件的材料、減小模型主要承力部件的壁厚的方式繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。通過(guò)多輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終將后內(nèi)襟、方向舵、發(fā)房及后機(jī)身上蓋板的材料選擇用鋁合金材料來(lái)加工，機(jī)翼上設(shè)置減重薄殼，外部安裝鋁制減重口蓋，優(yōu)化后模型與初始設(shè)計(jì)的模型相比，重量減輕了60.84kg。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，兩種計(jì)算工況下最大應(yīng)力為273MPa，仍位于后機(jī)身，滿足強(qiáng)度要求。優(yōu)化后的機(jī)翼數(shù)模見圖12所示。

圖11 尾支桿接頭屈曲分析計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)良的模型設(shè)計(jì)是能夠在風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行氣動(dòng)力精準(zhǔn)測(cè)量的必要條件。本文針對(duì)復(fù)雜的翼身融合體布局飛機(jī)，通過(guò)介紹模型輸入條件，相關(guān)支架干擾數(shù)據(jù)修正方法，并詳細(xì)處理這類模型設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ湍軌蚣骖檰沃U支撐和三點(diǎn)支撐兩種支撐方式，為今后設(shè)計(jì)此類模型提供了現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)。