于常安，李 平，王 羅

(1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，教育部光電技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計(jì)與測試技術(shù)研究所，四川綿陽 621000)

為了滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，新型軍用飛機(jī)不僅需要具有高空高速性能，而且要具有機(jī)動(dòng)、敏捷和隱身等方面的性能。理論和實(shí)踐證明，推力矢量技術(shù)使飛機(jī)具有了過失速超機(jī)動(dòng)性、高敏捷性、短距起降性能、隱身性能和超聲速巡航能力、該技術(shù)的應(yīng)用大大提高了戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)效能和生存能力。西方國家早在20世紀(jì)60～70年代就開始研究推力矢量技術(shù)，目前已轉(zhuǎn)入工程發(fā)展階段，如美國的F－22、俄羅斯的蘇－37 等飛機(jī)都已安裝了推力矢量噴管［1－3］。矢量推力的獨(dú)特優(yōu)勢，也逐漸在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中得到了應(yīng)用，并展開了廣泛的研究［4－7］。推力矢量技術(shù)的基礎(chǔ)是推力矢量噴管技術(shù)，推力矢量噴管是指可用于飛行姿態(tài)控制(如俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和反推力等)的多功能排氣噴管，優(yōu)先發(fā)展軸對稱矢量噴管發(fā)動(dòng)機(jī)已是國際航空界的共識(shí)［8－10］。因此，研制一種用于測量推力矢量噴管性能實(shí)驗(yàn)的六分量測力系統(tǒng)，以對推力矢量進(jìn)行精確的測量，就顯得尤為重要。

六分量測力系統(tǒng)的核心部件是六分量天平，由于矢量噴管是內(nèi)流式的，傳統(tǒng)的內(nèi)式天平?jīng)]有安裝空間，只能采用外式天平。常用的六分量外式天平主要有機(jī)械天平和六分量盒式天平，以往的矢量噴管六分量測量平臺(tái)多采用機(jī)械天平［11］，機(jī)械天平雖然測量精度高、穩(wěn)定性好，但是傳感器之間分散獨(dú)立、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)加困難、安裝調(diào)試周期長、使用維護(hù)繁瑣，近年來，隨著應(yīng)變天平技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械天平已逐步被盒式應(yīng)變天平取代。盒式應(yīng)變天平是測力天平的一種，其剛度大，力與力矩機(jī)械分解比較徹底，因而干擾量小，測量精度高。盒式天平有整體式與裝配式之分，整體式盒式天平加工要求高，一般尺寸較小，無法滿足矢量噴管測力要求。而裝配式盒式天平采用裝配式結(jié)構(gòu)，由固定框、浮動(dòng)框和四個(gè)三分量應(yīng)變傳感器組成(圖1)，裝配后實(shí)現(xiàn)六分量力與力矩的測量，有易加工、承載能力高、剛度大、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以滿足矢量噴管六分量測力需要。其中三分量應(yīng)變傳感器是裝配式盒式天平的核心，直接關(guān)系到六分量盒式天平的測量性能，針對裝配式盒式天平要求，本文介紹了一種新型三分量力學(xué)傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與以往的傳感器相比，結(jié)構(gòu)新穎，剛度大，精度高，適合裝配式天平使用，另外抗彎能力強(qiáng)，可作為傳感器獨(dú)立使用。

圖1 盒式天平示意圖

1 工作原理

應(yīng)變式多分量力學(xué)傳感器由彈性元件、應(yīng)變計(jì)與測量電路(測量電橋)組成。測力實(shí)驗(yàn)時(shí)，彈性元件在載荷作用下產(chǎn)生變形，其應(yīng)變與外力大小成正比。粘貼在彈性元件表面的應(yīng)變計(jì)也同時(shí)產(chǎn)生變形，使其電阻值發(fā)生變化，有一個(gè)增量。這個(gè)電阻增量由應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通全橋測量電路把它轉(zhuǎn)換成電壓增量，該電壓增量值與應(yīng)變天平所承受的載荷值成正比。將電壓信號通過A/D裝換后，輸入到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，即可得到作用在模型上的空氣動(dòng)力與力矩。

多分量傳感器通過不同的結(jié)構(gòu)形式的測量元件，力求使它們在載荷的作用下，對各自預(yù)測量分量的載荷敏感，產(chǎn)生相對明顯的變形，而對其它分量載荷不敏感，不產(chǎn)生或產(chǎn)生盡量小的變形，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上對力與力矩的機(jī)械分解或部分機(jī)械分解。另外，再通過應(yīng)變計(jì)的粘貼位置與全橋測量電路的設(shè)置，使其它分量載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變不改變電橋的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)力與力矩的電氣分解［11］。

2 設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)六分量盒式天平載荷要求，分配到三分量傳感器載荷如下:

推力Fx=4 900 N

升力Fy=±7 840 N

側(cè)力Fz=±3 920 N

3 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)傳感器彈性體時(shí)，一般要考慮兩個(gè)重要參數(shù)，一是傳感器的應(yīng)變值，應(yīng)變值越大，產(chǎn)生的應(yīng)變信號值就越大，靈敏度就越高；二是傳感器的剛度，剛度越大，位移量越小，穩(wěn)定性就越好。為獲得較高的應(yīng)變值和較大的剛度，彈性體的結(jié)構(gòu)布局和材料的選取就顯得尤為關(guān)鍵了。根據(jù)三分量力傳感器載荷量程特點(diǎn)及天平總體布局、尺寸要求等因素，三分量力傳感器的測量單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為串、并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)(圖2)，推力和側(cè)力單元并聯(lián)，然后與升力單元串聯(lián)。

圖2 三分量傳感器示意圖

3.1 彈性體材料

為保證傳感器的測量精度和穩(wěn)定性，彈性體材料要具有良好的彈性、較高的強(qiáng)度、較高的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度、有較小的線膨脹系數(shù)、有良好的彈性模量隨溫度變化的穩(wěn)定性以及有良好的機(jī)械加工性能與熱處理工藝性能［12］。

根據(jù)以上要求，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，彈性體材料選擇馬氏體時(shí)效鋼(00Ni18Co8Mo5TiAl)，該材料物理參數(shù)如下:

彈性模量E=1.872 5×1011N/m2

剪切彈性模量G=6.664×1010N/m2

強(qiáng)度極限 σb=1.862×109N/m2

泊松比 μ=0.29

屈服極限 σs=1.754×109N/m2

由此可見，馬氏體時(shí)效鋼(00Ni18Co8Mo5TiAl)是理想的傳感器彈性體材料。

3.2 推力與側(cè)力單元的設(shè)計(jì)

推力單元和側(cè)力單元采用四柱梁式組合單元并聯(lián)構(gòu)成，通過不同的組橋方式實(shí)現(xiàn)推力、側(cè)力的測量(圖3)。上下兩個(gè)梁柱與左右兩個(gè)梁柱對稱設(shè)置，分別作為推力和側(cè)力的測量彈性單元，四個(gè)梁柱的長度相同。

圖3 四梁柱組合元件示意圖

如圖3所示，用梁柱2、4測量推力Fx，在推力作用下，作用在彈性體元件上的最大彎矩Mmax為

式中L為前后組合單元梁之間的距離。這時(shí)，梁柱2、4產(chǎn)生單彎曲變形。根據(jù)載荷按剛度分配原則，梁柱2所承受的力矩M2為［12］

其中，b1、h1分別為梁柱1截面寬度與高度，b2、h2分別為梁柱2截面寬度與高度。梁柱2的最大應(yīng)力σmax為［12］

因此，梁柱2的最大應(yīng)變?yōu)椋?2］

同理，用梁柱1、3測量側(cè)力Fz，得出最大應(yīng)力為［12］

梁柱2的最大應(yīng)變?yōu)椋?2］

3.3 升力單元的應(yīng)變設(shè)計(jì)

升力單元設(shè)計(jì)為環(huán)式彈性元件(圖2)，在彈性體筒壁上設(shè)計(jì)四個(gè)支撐柱，四個(gè)加載柱，上下分布，交叉45°，對應(yīng)成兩端固定、跨中受載的應(yīng)變梁，在升力作用下，該應(yīng)變梁可簡化成矩形超靜定梁，即整個(gè)升力測量單元由8個(gè)超靜定梁組成。根據(jù)超靜定梁定義，在受到集中載荷是，超靜定梁的自由端的端部只有移動(dòng)，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，即產(chǎn)生S形變形(圖4)。

圖4 超靜定梁S形變形

測量單元的最大應(yīng)力為［13］

測量單元上最大應(yīng)變?yōu)?/p>

根據(jù)以上公式可以計(jì)算出各測量單元的應(yīng)變分別為:推力:470.5×10－6；升力:240.6×10－6；側(cè)力:475×10－6。

通過計(jì)算，調(diào)整推力和側(cè)力組合單元梁柱的寬度和厚度，使兩個(gè)測量單元的應(yīng)變值在載荷不同的情況下趨于一致，保證傳感器的平衡性。升力單元的應(yīng)變值設(shè)計(jì)偏低，主要是考慮到由于由傳感器組成的六分量天平上方還要承載測力系統(tǒng)的其他部件，設(shè)計(jì)上留有余量。

4 有限元分析

有限元方法是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門數(shù)值技術(shù)，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，它在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來已成為風(fēng)洞天平和各種應(yīng)變傳感器的主要設(shè)計(jì)手段之一［15－19］。

通過計(jì)算確定應(yīng)變量尺寸后，對三分量傳感器進(jìn)行建模，采用大型有限元分析軟件MSC對模型進(jìn)行仿真，對傳感器三個(gè)受力工況進(jìn)行有限元計(jì)算。

由于傳感器彈性體結(jié)構(gòu)形式特殊，劃分網(wǎng)格是采用的是10節(jié)點(diǎn)的四面體單元(圖)，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)75 894，單元數(shù) 49 640。

工況一，F(xiàn)x=4 900 N，應(yīng)變云圖見圖5，所得貼片處平均應(yīng)變?yōu)?450×10－6。

工況二，F(xiàn)y=7 840 N，應(yīng)變云圖見圖6，所得貼片處平均應(yīng)變?yōu)?194×10－6。

圖6 升力工況與滿載荷應(yīng)變云圖

工況三，F(xiàn)z=3 920 N，應(yīng)變云圖見圖7，所得貼片處平均應(yīng)變?yōu)?466×10－6。

圖7 側(cè)力工況與滿載荷應(yīng)變云圖

通過MSC軟件工況設(shè)置，有效模擬了傳感器實(shí)際工作狀態(tài)，直觀的反映出傳感器在受力情況下的應(yīng)變分布。從應(yīng)變云圖上看，傳感器剛度分配合理，力分解徹底。

5 試驗(yàn)及討論

彈性體加工完成后，經(jīng)過熱處理、打磨、貼片、組橋、溫度補(bǔ)償和靈敏度補(bǔ)償?shù)纫幌盗泄に囂幚?，三分量力傳感器進(jìn)入校準(zhǔn)階段(圖8)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)所得信號經(jīng)過換算，得出傳感器的測量應(yīng)變值數(shù)據(jù)與理論應(yīng)變值如表1所示。

表1 應(yīng)變數(shù)據(jù)對比

圖8 三分量傳感器校準(zhǔn)

從表1中可得以下幾點(diǎn):①四只傳感器測量應(yīng)變值基本一致，略有差異；②理論應(yīng)計(jì)算變值大于實(shí)測平均應(yīng)變值；③有限元計(jì)算應(yīng)變值與實(shí)測應(yīng)變值接近。

具體原因如下:①傳感器受工藝的影響(如加工尺寸、貼片位置等引起的偏差)，會(huì)出現(xiàn)傳感器與傳感器之間，傳感器實(shí)測值與理論值之間出現(xiàn)差異；②理論應(yīng)計(jì)算的出的結(jié)果是應(yīng)變梁的最大應(yīng)變值，而應(yīng)變片有一定的面積，所受的是應(yīng)變片貼片位置的平均應(yīng)變值；③有限元可以反應(yīng)出測力單元應(yīng)變梁受力時(shí)的平均應(yīng)變值，更好的反應(yīng)彈性體的工作狀態(tài)。

理論計(jì)算應(yīng)變、有限元計(jì)算應(yīng)變、實(shí)際測量應(yīng)變數(shù)值上大體一致，略有差異，且差異完全處于可以接受的范圍之內(nèi)。由此可見，這種新型三分量力傳感器彈性體所采用的串并聯(lián)聯(lián)合結(jié)構(gòu)的布局和測量單元應(yīng)變梁尺寸是正確的，完全達(dá)到了預(yù)期要求，可以作為裝配式盒式天平的測量元件，彈性體設(shè)計(jì)是成功的。另外，有限元計(jì)算可有效模擬傳感器彈性體的工作狀態(tài)，可用于彈性體的設(shè)計(jì)計(jì)算或驗(yàn)證，確定應(yīng)變片粘貼位置，減少測量誤差。

6 結(jié)論

三分量傳感器設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的材料力學(xué)計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的方法，對彈性體進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，取得了較好的效果。盒式天平經(jīng)組裝后，進(jìn)行了單分量加載校準(zhǔn)及綜合精度加載，結(jié)果表明:各分量加載精準(zhǔn)度指標(biāo)達(dá)到或超過預(yù)期指標(biāo)要求，天平機(jī)械滯后小、重復(fù)性高，整體剛度大。天平目前已用于某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管六分量測力試驗(yàn)，性能穩(wěn)定。

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