鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)研制

熊文韜，劉忠華，趙 昱，練真增

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)指對(duì)可能發(fā)生的未知風(fēng)險(xiǎn),建立不間斷的監(jiān)控體系,并在異常情況下緊急報(bào)警的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效降低所應(yīng)用領(lǐng)域的人員、設(shè)備等安全風(fēng)險(xiǎn),減少災(zāi)害危險(xiǎn)發(fā)生,廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域[1-4]。

操縱面是飛行器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的關(guān)鍵部件,操縱面偏轉(zhuǎn)通過作動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行推動(dòng),而操縱面的鉸鏈力矩特性是作動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。如果作動(dòng)器的鉸鏈力矩設(shè)計(jì)功率不足,可能導(dǎo)致舵面大角度偏轉(zhuǎn)的需求無法滿足,且舵面偏轉(zhuǎn)的角速度會(huì)減小,操縱面的響應(yīng)時(shí)間會(huì)增長,飛行器的跟隨性就變差。因此在飛行器設(shè)計(jì)階段,準(zhǔn)確獲得各操縱面的鉸鏈力矩特性具有重要意義[5]。由于操縱面通常位于安定面后緣,受飛行器其他部件干擾,尤其在偏轉(zhuǎn)后流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜,存在流動(dòng)分離等問題,理論和數(shù)值方法難以準(zhǔn)確估算鉸鏈力矩特性,而風(fēng)洞試驗(yàn)是飛行器設(shè)計(jì)階段獲得操縱面鉸鏈力矩特性最可靠的手段[6]。

在鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)中,當(dāng)操縱面偏度較大時(shí),操縱面處可能會(huì)形成穩(wěn)定的流動(dòng)分離,當(dāng)流動(dòng)分離產(chǎn)生的渦脫落氣動(dòng)激勵(lì)頻率fex與操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率fin接近時(shí),會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振,導(dǎo)致操縱面/天平系統(tǒng)產(chǎn)生大幅值的動(dòng)態(tài)載荷,如圖1所示。

圖1 操縱面/天平系統(tǒng)動(dòng)態(tài)載荷示意圖Fig.1 Diagram of dynamic load of control surface/ balance system

在開展飛行器操縱面鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)操縱面偏度較大時(shí),天平信號(hào)中存在單一頻率的動(dòng)態(tài)載荷,該動(dòng)態(tài)載荷頻率與操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率fin較為接近,幅值超過了天平設(shè)計(jì)載荷。在該動(dòng)態(tài)載荷下試驗(yàn),會(huì)導(dǎo)致天平結(jié)構(gòu)疲勞破壞,嚴(yán)重影響天平安全。此外,動(dòng)態(tài)載荷作用在天平各通道上產(chǎn)生的大幅振蕩信號(hào),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法通過調(diào)理、濾波等手段完全過濾,從而會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度產(chǎn)生影響。

目前人們在鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)和鉸鏈力矩天平設(shè)計(jì)技術(shù)研究已經(jīng)較多,但尚未針對(duì)鉸鏈力矩試驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)載荷問題開展過相關(guān)研究。

在鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)研究方面,張暉等[7]為解決小尺度鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)中存在中小尺度的試驗(yàn)雷諾數(shù)相比飛行雷諾數(shù)偏低、縫隙模擬困難以及天平安裝困難問題,發(fā)展完善了一套大尺度模型低速風(fēng)洞鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù),并用于大尺度乃至全尺寸模型鉸鏈力矩特性研究;黃宗波等[8]采用試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的方法,對(duì)操縱面與安定面之間縫隙對(duì)操縱面鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明縫隙寬度對(duì)操縱面鉸鏈力矩影響規(guī)律與操縱面迎角和偏度相關(guān),但縫隙不同對(duì)鉸鏈力矩的影響量較小;何發(fā)東[9]通過在操縱面作動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳力關(guān)鍵件上安裝應(yīng)變計(jì),發(fā)展了操縱面鉸鏈力矩飛行試驗(yàn)實(shí)測技術(shù),提高了飛行試驗(yàn)操縱面鉸鏈力矩測量精準(zhǔn)度,縮短了飛行試驗(yàn)周期;唐寧等[10]基于有限元方法設(shè)計(jì)了測量應(yīng)變電橋,通過校準(zhǔn)試驗(yàn)建立了作動(dòng)器所受拉壓載荷及應(yīng)變響應(yīng)關(guān)系的載荷方程,在飛行試驗(yàn)中獲得到了升降舵鉸鏈力矩;陳麗等[11]從鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)、高精度鉸鏈力矩天平研制兩方面,發(fā)展了提高測量最大鉸鏈力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的有效模擬技術(shù)。

在鉸鏈力矩天平技術(shù)研究方面,潘華燁等[12]從桿式鉸鏈力矩天平、片式鉸鏈力矩天平和天平靜態(tài)校準(zhǔn)三個(gè)方面,對(duì)中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所的鉸鏈力矩天平技術(shù)進(jìn)行了綜述;潘華燁等[13]針對(duì)傳統(tǒng)的高速風(fēng)洞片式鉸鏈力矩天平所采用無軸向力測量結(jié)構(gòu)對(duì)法向力以及鉸鏈力矩的測量不準(zhǔn)確問題,研制出一種新型結(jié)構(gòu)帶軸向力測量的四分量片式鉸鏈力矩天平,提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度;張遜等[14]為了解決鉸鏈力矩天平在模型上的空間受限、天平尺寸小等問題,發(fā)展了模型天平一體化設(shè)計(jì),成功研制出一體化鉸鏈力矩天平;史玉杰等[15]針對(duì)傳統(tǒng)片式天平元件存在不同受載條件下變形不一致,裝配預(yù)緊力影響大的問題,發(fā)展了一種基于柱梁的片式鉸鏈力矩天平技術(shù),提高了測量的精準(zhǔn)度;張丹等[16]通過靜態(tài)加載和有限元分析的方法,分析了螺釘預(yù)緊力對(duì)鉸鏈力矩天平影響,并給出了改善預(yù)緊力影響的措施;李勇等[17]通過有限元計(jì)算和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),研究了鉸鏈力矩天平固定端結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)天平輸出量的影響規(guī)律,結(jié)果表明鉸鏈力矩天平與固定端的接觸面積、螺釘連接位置以及天平固定端厚度對(duì)天平輸出量均存在顯著影響。

由于操縱面流動(dòng)分離與安定面流動(dòng)、舵面偏度密切相關(guān),難以通過理論分析和數(shù)值仿真準(zhǔn)確獲得分離流產(chǎn)生的氣動(dòng)激勵(lì)頻率,從而無法在天平設(shè)計(jì)時(shí)使得操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)離氣流分離頻率,只能通過在試驗(yàn)過程中對(duì)天平載荷進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)獲得天平動(dòng)態(tài)載荷信息,對(duì)危險(xiǎn)試驗(yàn)工況監(jiān)視預(yù)警,從而確保天平不出現(xiàn)動(dòng)態(tài)載荷超載問題。

文中給出了鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件組成和設(shè)計(jì)方案,動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)處理方法,以及系統(tǒng)預(yù)警的臨界限值設(shè)定方法。通過鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)用,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)載荷的有效性。針對(duì)系統(tǒng)預(yù)警存在大幅值動(dòng)態(tài)載荷的試驗(yàn)工況,通過調(diào)整操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率,避開試驗(yàn)中的分離流氣動(dòng)激勵(lì)頻率,避免了相同試驗(yàn)工況下動(dòng)態(tài)載荷的產(chǎn)生,確保了試驗(yàn)安全和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

1 動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉸鏈力矩試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視系統(tǒng),由鉸鏈力矩天平、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)視預(yù)警軟件、測控網(wǎng)等組成,如圖2所示。

圖2 鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)Fig.2 Monitoring and prewarning system of the dynamic load in hinge moment wind tunnel test

鉸鏈力矩天平為載荷感受單元,將氣動(dòng)載荷轉(zhuǎn)變?yōu)樘炱酵ǖ离妷盒盘?hào);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)天平通道電壓信號(hào)進(jìn)行采集測量,并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);監(jiān)視預(yù)警軟件接收通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶炱酵ǖ离妷盒盘?hào),計(jì)算獲得鉸鏈力矩天平的時(shí)域載荷,通過傅里葉分析獲得天平動(dòng)態(tài)載荷特征;分析動(dòng)態(tài)載荷的頻率、幅值與錘擊法獲得的系統(tǒng)固有頻率、天平設(shè)計(jì)量程的關(guān)系,進(jìn)行超限預(yù)警。監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the monitoring and prewarning system for dynamic load

1.1 鉸鏈力矩天平

鉸鏈力矩天平為應(yīng)變天平,如圖4所示,能將操縱面承受載荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),可高保真的獲取天平載荷的時(shí)域特征,因此,文中的動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)計(jì)系統(tǒng)將其作為測量單元,用于測量操縱面/天平系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)載荷。

圖4 鉸鏈力矩天平示意圖Fig.4 Diagram of hinge moment balance

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由控制器、采集卡和采集機(jī)箱等組成,可將獲得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),用于采集鉸鏈力矩天平的通道電壓。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入風(fēng)洞試驗(yàn)管理調(diào)度網(wǎng),實(shí)時(shí)采集所有天平通道電壓數(shù)據(jù),并通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)實(shí)時(shí)將天平電壓信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),監(jiān)視預(yù)警軟件在指定端口接收天平電壓信號(hào)并實(shí)時(shí)處理分析。

按照采樣定理[18],以采樣頻率fs,對(duì)連續(xù)信號(hào)xa進(jìn)行采樣,得到采樣序列xs,若連續(xù)信號(hào)xa為帶限實(shí)信號(hào),其頻譜最高頻率為fc,當(dāng)采樣頻率fs≥2fc時(shí),則采樣信號(hào)xs,包含了連續(xù)信號(hào)xa的全部信息。通常天平操縱面系統(tǒng)的固有頻率不超過200 Hz,不考慮2階氣動(dòng)激勵(lì)頻率與天平固有頻率重合情況時(shí),將天平載荷的信號(hào)分析的截止頻率取為200 Hz。按照采樣定理,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最低采集頻率應(yīng)大于400 Hz,且采集卡不能進(jìn)行低通硬件濾波,信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)也不能過濾高頻信號(hào),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的采樣數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能包含連續(xù)信號(hào)的全部信息,以用于天平動(dòng)態(tài)載荷分析。

文中選擇NI公司的PXIe-1095機(jī)箱、PXIe-8880控制器和PXIe-4309動(dòng)態(tài)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),用于天平動(dòng)態(tài)載荷采集分析。通過動(dòng)態(tài)采集卡的6個(gè)輸入通道采集鉸鏈力矩天平的6個(gè)通道電壓信號(hào),每個(gè)輸入通道的采集頻率設(shè)置為500 Hz。

1.3 監(jiān)視預(yù)警軟件設(shè)計(jì)原理

監(jiān)視預(yù)警軟件的作用是分析處理鉸鏈力矩天平動(dòng)態(tài)載荷信號(hào)并進(jìn)行超限預(yù)警。數(shù)據(jù)處理主要包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)接收與處理、結(jié)果顯示與預(yù)警3個(gè)部分,基于LabVIEW開發(fā),運(yùn)行流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)視預(yù)警軟件運(yùn)行流程圖Fig.5 Flow chart for monitoring and prewarning software

監(jiān)視預(yù)警軟件從網(wǎng)絡(luò)接收天平電壓數(shù)據(jù)后,通過天平公式計(jì)算得到天平時(shí)域載荷;對(duì)天平時(shí)域載荷進(jìn)行傅里葉分析,獲得天平載荷在頻域內(nèi)的幅值和頻率;分析天平頻域載荷的幅值和頻率與操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率、載荷臨界閾值的關(guān)系,判斷動(dòng)態(tài)載荷是否超限報(bào)警。

參數(shù)配置部分主要包括天平通道配置、天平計(jì)算公式配置以及臨界閾值配置,設(shè)計(jì)原理如圖6所示。鉸鏈力矩試驗(yàn)天平數(shù)量具有不確定性,且需要多天平同步監(jiān)視預(yù)警,因此將天平通道、天平計(jì)算、天平索引設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)載入模式,根據(jù)試驗(yàn)需求在軟件中進(jìn)行配置。不同天平的設(shè)計(jì)載荷和操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率不同,因此監(jiān)視預(yù)警軟件具有天平的臨界閥值配置功能。

圖6 參數(shù)配置功能設(shè)計(jì)原理圖Fig.6 Functional design schematic diagram for parameter configuration

數(shù)據(jù)接收與處理部分主要包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理,通過多線程并行處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理高效運(yùn)行,設(shè)計(jì)原理如圖7所示。數(shù)據(jù)接收線程,能夠?qū)崟r(shí)接收來自測控網(wǎng)UDP的天平通道電壓數(shù)據(jù),并對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,當(dāng)數(shù)據(jù)量滿足預(yù)設(shè)采樣時(shí)間則觸發(fā)載荷計(jì)算模塊工作。數(shù)據(jù)處理線程,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多天平通道信號(hào)進(jìn)行通道索引、匹配、通道公式轉(zhuǎn)換、天平時(shí)域載荷計(jì)算、天平載荷頻譜分析、預(yù)警閥值判別和預(yù)警提示等功能。

圖7 數(shù)據(jù)接收與數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計(jì)原理圖Fig.7 Design diagram for data receiving and processing functions

結(jié)果顯示與預(yù)警部分主要包括時(shí)域曲線顯示、頻域分析結(jié)果顯示和超臨界預(yù)警。天平時(shí)域載荷以波形圖方式實(shí)時(shí)顯示,天平載荷在頻域內(nèi)的幅值和頻率以數(shù)組形式顯示。天平各分量的動(dòng)態(tài)載荷幅值超過臨界閥值時(shí),軟件將會(huì)觸發(fā)報(bào)警,報(bào)警信號(hào)以軟件前面板顏色高亮閃爍進(jìn)行提示,天平載荷值降到安全閥值內(nèi),報(bào)警信號(hào)自動(dòng)解除。監(jiān)視預(yù)警軟件顯示和預(yù)警界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)視預(yù)警軟件界面圖Fig.8 Interface for the monitoring and prewarning system

2 動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

2.1 動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的天平電壓是離散的時(shí)域信號(hào),要獲得頻域信號(hào),必須進(jìn)行信號(hào)處理。離散傅里葉變換(DFT)是數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用最廣泛的變換方式,能夠?qū)崿F(xiàn)卷積、濾波、相關(guān)等算法,獲得信號(hào)的頻域特征。

對(duì)于有限長序列x(n)的N點(diǎn)的離散傅里葉變換公式為:

式中FD為離散傅里葉變換。

離散傅里葉變換計(jì)算量大,應(yīng)用成本高,因此通常采用快速傅里葉變換(FFT)來實(shí)現(xiàn)離散信號(hào)的傅里葉變換。FFT的基本思想是將大點(diǎn)數(shù)的DFT分解為若干小點(diǎn)數(shù)的DFT,從而減小DFT計(jì)算中乘法的運(yùn)算次數(shù),從而顯著降低計(jì)算量。FFT常用的算法包括時(shí)域抽取發(fā)(DIT)、頻域抽取法(DIF)等。

采樣頻率為fs,采樣點(diǎn)數(shù)為N,頻率分辨率Δf為采樣頻率與采樣點(diǎn)數(shù)的比值,即Δf=fs/N。如果信號(hào)頻率是頻率分辨率的整數(shù)倍,則為同步采樣;若為非整數(shù)倍,則為非同步采樣。在同步采樣的情況下,FFT可以準(zhǔn)確分析出信號(hào)的頻率特性,而在非同步采樣的情況下,會(huì)發(fā)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng),從而導(dǎo)致信號(hào)的頻率特性存在一定誤差。在實(shí)際的信號(hào)分析中,同步采樣很難實(shí)現(xiàn),通常均為非同步采樣,FFT得到的諧波信號(hào)的頻率、幅值和相位會(huì)存在一定誤差,可通過加窗函數(shù)減小其影響[19]。由于鉸鏈力矩試驗(yàn)中天平動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視,對(duì)信號(hào)分析幅值、頻率的精度要求不高,為了減小計(jì)算量,提高監(jiān)視的實(shí)時(shí)性,文中采用不加窗函數(shù)的FFT對(duì)天平時(shí)域信號(hào)進(jìn)行處理。

2.2 操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率測量

當(dāng)氣動(dòng)激勵(lì)頻率fex與操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率fin接近時(shí),會(huì)導(dǎo)致天平承受大幅值動(dòng)態(tài)載荷,因此必須保證試驗(yàn)中氣動(dòng)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離操縱面系統(tǒng)固有頻率。氣動(dòng)激勵(lì)頻率可在試驗(yàn)過程中通過天平信號(hào)實(shí)時(shí)分析得到,而操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率,則需要在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段通過錘擊法進(jìn)行測量[20]。錘擊法是經(jīng)典的固有頻率測量方法,其原理是系統(tǒng)受到?jīng)_擊激勵(lì)時(shí),會(huì)在固有頻率下產(chǎn)生峰值響應(yīng),通過對(duì)沖擊激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析,則可獲得系統(tǒng)的固有頻率。文中采用鉸鏈力矩天平作為錘擊法的激勵(lì)測量元件,通過動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng)采集天平受錘擊激勵(lì)時(shí)的電壓信號(hào),對(duì)獲取的天平電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,則可得到操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率。

2.3 動(dòng)態(tài)載荷臨界值設(shè)定

在鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)中,當(dāng)動(dòng)態(tài)載荷的頻率處于設(shè)定頻率臨界限值范圍內(nèi),或者動(dòng)態(tài)載荷幅值超過設(shè)定幅值臨界限值時(shí),監(jiān)視預(yù)警軟件會(huì)觸發(fā)報(bào)警并進(jìn)行警示閃爍,提示試驗(yàn)中存在大幅值動(dòng)態(tài)載荷,需要立即停止試驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)載荷臨界限值包括氣動(dòng)激勵(lì)頻率限值和幅值限值兩個(gè)部分。在應(yīng)用中,通常認(rèn)為激勵(lì)頻率在固有頻率fin上下20%范圍內(nèi)有較大可能發(fā)生共振,因此將氣動(dòng)激勵(lì)頻率臨界限值設(shè)定為0.8fin～1.2fin。動(dòng)態(tài)載荷的幅值,為了確保試驗(yàn)安全,文中選擇了較為保守的臨界值,將幅值臨界限值設(shè)定為鉸鏈力矩天平各分量設(shè)計(jì)量程的0.5倍。

3 動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)證

通過飛行器操縱面鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn),驗(yàn)證研制的動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)。針對(duì)系統(tǒng)預(yù)警存在動(dòng)態(tài)載荷的工況,通過調(diào)整系統(tǒng)固有頻率,消除動(dòng)態(tài)載荷。

3.1 動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)證

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段,通過錘擊法獲得了飛行器各操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率,并將其設(shè)定為鉸鏈力矩天平動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視軟件的頻率限值,將各天平的法向力和鉸鏈力矩設(shè)計(jì)量程的0.5倍設(shè)定為動(dòng)態(tài)載荷幅值限值。

以升降舵為例,錘擊法得到的升降舵天平1通道電壓時(shí)域圖如圖9所示,對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算,得到的頻域結(jié)果如圖10所示,可以得到升降舵/天平系統(tǒng)的固有頻率fin為76 Hz,將其作為臨界限值設(shè)定于監(jiān)視軟件內(nèi)。

圖9 升降舵天平1通道電壓時(shí)域曲線Fig.9 Time domain curve for voltage of channel 1 of elevator balance

圖10 升降舵天平1通道電壓頻響曲線Fig.10 Frequency domain curve for voltage of channel 1 of elevator balance

在風(fēng)洞試驗(yàn)階段,大部分操縱面均未出現(xiàn)動(dòng)態(tài)載荷超限報(bào)警,僅升降舵在少數(shù)偏角下存在動(dòng)載荷超限。當(dāng)升降舵偏度為-30°時(shí),當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速逐步上升至70 m/s時(shí),動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視軟件發(fā)出了預(yù)警信息,提示動(dòng)態(tài)載荷超過設(shè)定限值。

對(duì)吹風(fēng)過程中升降舵天平通道電壓信號(hào)進(jìn)行分析,天平1通道電壓時(shí)域曲線如圖11所示,經(jīng)過FFT運(yùn)算后的頻響曲線如圖12所示。可以看出,吹風(fēng)過程中天平存在單一頻率的動(dòng)態(tài)載荷,其頻率為87 Hz,與升降舵面/天平系統(tǒng)固有頻率值76 Hz較為接近,導(dǎo)致天平響應(yīng)產(chǎn)生較高的動(dòng)態(tài)載荷,動(dòng)態(tài)載荷幅值約為靜態(tài)載荷幅值的2倍。

圖11 升降舵-30°時(shí)天平1通道時(shí)域曲線Fig.11 Time domain curve for voltage of channel 1 of elevator balance at -30 degree

圖12 升降舵-30°時(shí)天平1通道頻響曲線Fig.12 Frequency domain curve for voltage of channel 1 of elevator balance at -30 degree

3.2 動(dòng)態(tài)載荷消除

針對(duì)系統(tǒng)預(yù)警存在動(dòng)態(tài)載荷的工況,操縱面偏角不變化,則繞流狀態(tài)不變,流動(dòng)分離產(chǎn)生的渦脫頻率不變,即氣動(dòng)激勵(lì)頻率fex不變,要解決升降舵偏度為-30°時(shí)氣動(dòng)激勵(lì)頻率fex與系統(tǒng)固有頻率fin接近導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)載荷超限問題,只能調(diào)整升降舵/天平系統(tǒng)固有頻率fin,以避開氣動(dòng)激勵(lì)頻率范圍。

對(duì)于升降舵/天平系統(tǒng)可近似看做懸臂梁結(jié)構(gòu),其固有頻率與操縱面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛性相關(guān),操縱面質(zhì)量越小,天平剛性越大,則系統(tǒng)固有頻率越高。因此,采用碳纖維材料研制了輕質(zhì)的升降舵模型,代替原較重的鋁制升降舵模型,升降舵舵面重量由1.0 kg減小至0.6 kg;增加鉸鏈力矩天平的應(yīng)變梁尺寸,將天平安全系數(shù)由原來的4.3增加至6,提高升降舵/天平系統(tǒng)剛性。

通過錘擊法對(duì)新研制的升降舵/天平系統(tǒng)固有頻率進(jìn)行測量,系統(tǒng)固有頻率fin為155 Hz,遠(yuǎn)高于初始系統(tǒng)固有頻率76 Hz,避開了87 Hz的氣動(dòng)激勵(lì)頻率。

采用新研制的升降舵/天平系統(tǒng)重新開展風(fēng)洞試驗(yàn),升降舵-30°時(shí)的鉸鏈力矩天平1通道電壓的時(shí)域曲線如圖13所示,天平通道電壓信號(hào)呈現(xiàn)在平均值附近無規(guī)律波動(dòng),表明試驗(yàn)中已不存在動(dòng)態(tài)載荷。

4 結(jié)論

文中給出了鉸鏈力矩試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件組成和設(shè)計(jì)思路、數(shù)據(jù)處理方法和臨界限值設(shè)定方法,并進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:

1)鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)能夠預(yù)警試驗(yàn)中的大幅值動(dòng)態(tài)載荷,從而防止動(dòng)態(tài)載荷導(dǎo)致天平結(jié)構(gòu)損壞以及數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度降低,有效提升了鉸鏈力矩風(fēng)洞試驗(yàn)的安全性,確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

2)對(duì)于系統(tǒng)預(yù)警存在大幅值動(dòng)態(tài)載荷的試驗(yàn)工況,通過研制輕質(zhì)操縱面和高剛性天平來提高操縱面/天平系統(tǒng)的固有頻率,將操縱面/天平系統(tǒng)固有頻率由76 Hz提高至155 Hz,避開流動(dòng)分離形成的87 Hz的氣動(dòng)激勵(lì)頻率,避免了相同操縱面偏度工況下大幅值動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生。