應變法載荷校準在飛艇尾翼的應用研究

王鵬飛，張 偉，伍少華

(中國特種飛行器研究所 試驗與計量中心，湖北 荊門 448035)

0 引言

飛艇屬于浮空飛行器，利用氫氣、氦氣等比空氣密度小的氣體提供升力。根據結構的不同可將飛艇分為軟式、半硬式和硬式三種。隨著飛艇的需求趨于大型化，半硬式飛艇的發展日漸迅速。半硬式飛艇的特點是通過氣囊中氣體壓力和剛性骨架的共同作用來保持外形。在飛艇設計過程中，載荷的正確輸入是結構設計的關鍵。目前載荷主要由CFD仿真計算和模型風洞試驗獲得，但這兩種方法均以飛艇剛性模型為對象，未考慮飛艇柔性結構以及受載后外形變化等因素的影響，因此有必要借鑒飛機實測載荷的方法進行驗證和修正載荷，從而進一步優化設計。目前，載荷飛行實測的方法主要有壓力測量法、位移測量法和應變電橋法等，這些方法已經廣泛用于飛機、火箭、導彈等飛行器研制過程。由于飛艇軟結構柔性蒙皮的特性，壓力測量法和位移測量法難以在飛艇上應用。

載荷飛行實測應變電橋法的基本原理是在結構上提前設置測載站位并進行應變電橋改裝，而后進行地面校準載荷加載和電橋應變測量，建立載荷和電橋應變間的載荷方程。在載荷飛行實測中，將測量所得的電橋應變響應代入載荷方程即可得到真實載荷。可見，載荷飛行測試應變電橋法的關鍵在于應變電橋載荷地面校準及構建載荷方程。

Skopinski等研究了應變法載荷校準基本原理和載荷方程系數計算方法，并進行了大量實驗研究。Allen等引入神經網絡方法對載荷方程應變電橋元素的選取和方程精度的關系進行了研究探索。Volanthen等對于復合結構的監測進行了研究。國內應變電橋載荷校準方法研究工作起步較晚，但發展較快。王兆東和金秀芬等針對民用飛機載荷校準和飛行測試的適航性發展進行了綜述分析。國內學者采用不同的方法對提高載荷方程的精度也進行了大量研究。閆楚良等提出了飛機機翼結構載荷測量試驗力學模型與數據處理方法，并在疲勞飛行載荷譜實測中進行了應用。綜上，國內外應變電橋載荷校準方法研究較多，但均以硬式蒙皮飛行器為研究對象，關于具有軟結構、柔性蒙皮的飛行器的相關研究鮮有報道。本文以某大型載人飛艇尾翼為研究對象，對載荷校準進行試驗研究，試驗校準得到的尾翼載荷方程使用校驗工況對其精度進行了對比分析。

1 應變校準法理論

飛艇尾翼主要功能是保持飛艇飛行狀態的穩定及對其進行操控實現飛艇機動飛行。尾翼在飛行中承受氣動載荷和自身結構重量產生的慣性載荷，這兩種載荷疊加后即為某時刻尾翼的真實飛行總載荷。尾翼載荷一般包括翼面結構所承受的彎矩、剪力和扭矩，將尾翼簡化為懸臂梁后任一測載站位的載荷情況如圖1所示。

圖1 翼面載荷示意圖

在實際飛行中結構的力學性能在線彈性范圍內，因此結構某站位的應變可以轉換為多個載荷加載后線性累計的和，應變值與受載的載荷方程可表示為

=1+2+3

(1)

式中：為測載站位電橋應變值；為測載剖面第個應變電橋；為測載站位彎矩載荷；為測載站位剪力載荷；為測載站位扭矩載荷；1、2、3為第個應變電橋的系數。

設尾翼上任意一點坐標為(,)，則該點的彎矩和扭矩用剪力表示為

(2)

設結構試驗件共布置了個電橋，則剪力方程為

(3)

當結構上加載載荷與應變電橋數量相等時有

(4)

對于式(4)可采用線性回歸法求解方程系數

(5)

式中，為廣義載荷，根據式(1)～(5)即可獲取到基于應變函數的載荷方程表達式。

2 應變電橋布置

應變電橋載荷校準方法應變電橋布置位置至關重要，決定了載荷方程的有效性和準確性。應變電橋的布置應滿足載荷響應靈敏度高、線性度高，且各應變電橋相互之間耦合程度低的要求。可通過對飛艇尾翼結構建立有限元模型并進行應變計算分析來確定應變電橋的合適位置。

某大型載人飛艇尾翼由安定面和舵面組成，為典型半硬式結構，其基本骨架結構為2A12鋁合金材料，外部蒙皮為URE3216軟性材料。根據飛艇手冊中尾翼結構典型載荷工況，骨架結構主要模擬飛行轉彎、機動等載荷工況，蒙皮主要模擬陣風載荷工況。兩載荷工況通過等效原理分配至有限元模型節點加載，尾翼骨架和蒙皮計算結果云圖分別示于圖2和圖3。

圖2 尾翼骨架計算結果云圖

圖3 尾翼蒙皮計算結果云圖

根據有限元分析結果可知，應變應力響應值較大部位在安定面前后梁展向中間部位。由于軟性材料僅承受載荷且材料延伸率高，不利于加裝應變片，因此在鋁合金梁、肋結構上加裝應變電橋。結合尾翼結構細節，在展向尾翼根部和尾翼中部共布置2個測載站位，如圖4所示。每個站位前、后梁布置彎矩、剪力電橋，在中間梁布置測扭電橋，共布置電橋數量為20個，具體分布詳見表1。同時按照1∶1比例布置和安裝備份電橋。

圖4 尾翼應變電橋布置站位

表1 應變電橋布置位置及編號

3 試驗及結果分析

地面校準試驗時尾翼為水平安裝，根部通過海綿、尼龍搭扣固定至剛性立柱模擬根部約束狀態。同時在尾翼張力繩索安裝點，使用拉伸剛度相同直徑為6 mm的鋼絲繩按照理論計算所得角度斜向固定，模擬真實張力約束狀態。

試驗加載包括單點加載和多點加載兩種類型，其中多點加載包括點2、3、4和8共同加載工況。考慮尾翼柔性結構局部強度的限制，加載點選在尾翼梁肋組成的蒙皮單元內，且單元理論形心點為具體加載位置。試驗使用重物模擬加載載荷，共設置19個加載點，其中安定面加載點15個，舵面加載點4個，共組成28個加載工況。試驗載荷大小選取為限制載荷的40%，加載過程以試驗載荷的10%為基數進行分級加載，加載重物載荷和電橋響應分級點采記錄保存。在尾翼翼尖布置位移傳感器，監測試驗過程中尾翼變形情況，以保證試驗安全。圖5為尾翼加載現場圖，圖6給出了2號站位典型電橋加載響應曲線。

圖5 尾翼載荷校準試驗加載圖

圖6 應變電橋響應曲線圖

從圖6可知，在三次加載卸載過程中，應變電橋的變化趨于一致，說明試驗加載和電橋響應穩定性高且具有可重復性。圖7所示為應變電橋響應與分級載荷間的載荷-響應曲線，這些曲線的線性分析指數均在0.95以上，說明電橋應變在載荷加載卸載過程中呈線性響應。

圖7 應變電橋響應線性圖

采用文獻[1]中線性回歸方法對獲取的試驗數據求解載荷方程系數，得到多個對應的載荷方程，并根據文獻[2]中剩余標準差和檢驗誤差的方法選出最終的載荷方程，如表2所示。彎矩方程主要由2～3個彎矩電橋確定，通過1個剪力電橋進行修正；剪力方程僅選取2～3個布置在前后梁上的剪力測試電橋即可滿足；扭矩方程由數量較多的扭矩電橋同時配合前后梁上的剪力電橋組成，這說明扭矩方程對三種應變電橋的耦合度相對較高。

表2 校準載荷方程表

參考尾翼載荷分布設計多個載荷校驗試驗工況，分別對2號站位的載荷方程進行實測并和方程計算結果進行對比，表3給出了數據歸一化后的對比數據及誤差。由表3可知，校驗工況加載的彎矩、剪力載荷方程計算值和試驗實測值基本吻合，其中誤差最大的僅為3.18%。由表3還可知，扭矩載荷計算值和試驗實測值誤差相對較大，最大誤差達7.62%，但仍滿足尾翼誤差不超過10%的要求。以上校驗結果說明前述所得載荷方程合理。對于扭矩載荷方程個別載荷工況計算值與實測值間誤差較大主要是由于載荷方程項中扭矩電橋數量較少導致的。

表3 校準載荷方程檢驗表

4 結論

(1)采用應變校準方法對飛艇尾翼進行了載荷校準試驗，得到尾翼兩個測載站位的彎矩、剪力和扭矩方程，解決了難以得到半硬式飛艇尾翼結構載荷方程的問題。

(2)飛艇尾翼載荷校準結果表明該方法可用于存在軟結構特性的半硬式飛艇結構，且載荷方程合理有效、精度滿足工程應用要求。

(3)通過載荷方程校驗工況的結果表明，扭矩方程相對彎矩、剪力載荷方程精度略低，在后續應用中可增加測扭電橋數量，增加選擇的樣本數據量以提高方程精度。