王樹民，潘華燁，王 超，馬 濤

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平研制

王樹民＊，潘華燁，王 超，馬 濤

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

受大展弦比試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃吞炱浇Y(jié)構(gòu)條件限制，在高速風(fēng)洞中采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的片式鉸鏈力矩天平難以實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱舵氣動(dòng)力的精確測(cè)量，其主要原因是傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平無阻力測(cè)量單元，無法測(cè)量阻力，使得阻力對(duì)鉸鏈力矩測(cè)量的干擾無法修正，同時(shí)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的片式鉸鏈力矩天平在試驗(yàn)中受機(jī)翼變形影響較大，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。針對(duì)這一問題，在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所開展了單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，并成功應(yīng)用于某飛機(jī)模型舵面鉸鏈力矩測(cè)力試驗(yàn)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)結(jié)果表明，該天平能夠有效測(cè)量阻力，基本消除了機(jī)翼變形對(duì)測(cè)量的影響，同時(shí)還可以減小附加力矩，增加天平載荷匹配性，有效提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

鉸鏈力矩；風(fēng)洞天平；展弦比；阻力

0 引 言

飛行器都有各種操縱面，如方向舵、升降舵、副翼、襟翼、擾流板等。這些操縱面可圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變其偏轉(zhuǎn)角，從而改變作用在飛行器上的氣動(dòng)力的大小和作用點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的飛行。操縱面鉸鏈力矩試驗(yàn)是飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段主要的風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目之一，其目的在于測(cè)定飛行器各操縱面的氣動(dòng)力和相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的鉸鏈力矩的大小，為選擇或者設(shè)計(jì)操縱裝置合適的助力器以及設(shè)計(jì)舵面形狀提供依據(jù)［1－3］。隨著大展弦比無人機(jī)等飛行器研制技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)風(fēng)洞鉸鏈力矩測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)的要求越來越高［4－5］。

無人機(jī)的機(jī)翼面積大，機(jī)身短，展弦比一般大于10，這就使得縮比后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)翼特別薄，通常翼尖位置的厚度不足1cm［6］，受模型空間和天平結(jié)構(gòu)條件限制，該類模型鉸鏈力矩試驗(yàn)采用傳統(tǒng)類型片式天平，需要面臨安裝難度高、機(jī)翼變形大、天平輸出不匹配等問題，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，已不能滿足以無人機(jī)為代表的先進(jìn)飛行器對(duì)鉸鏈力矩高精準(zhǔn)度測(cè)力的需要。所以，大展弦比操縱面片式鉸鏈力矩天平的測(cè)量性能是影響該類模型操縱面鉸鏈力矩測(cè)量精準(zhǔn)度的一個(gè)重要因素。

傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平主要使用無阻力的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)度較低，而且無法對(duì)結(jié)果進(jìn)行阻力修正，在操縱面偏角較大時(shí)，有無阻力修正將會(huì)對(duì)操縱面鉸鏈力矩試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生3%以上的影響［7－8］。另外，對(duì)于超薄翼型操縱面，天平安裝空間受限嚴(yán)重，難以做到無干涉固定，連接和裝配應(yīng)力會(huì)降低天平測(cè)量的精準(zhǔn)度［910］；而且試驗(yàn)中操縱面在氣動(dòng)載荷作用下變形較大，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)質(zhì)量［11］。為此，本文研制出一種適用于大展弦比模型操縱舵鉸鏈力矩測(cè)量的單固支帶阻力元片式天平。天平采用單固支片式結(jié)構(gòu)布局，即天平與模型的連接端設(shè)置在天平中央，天平兩懸臂端連接測(cè)量舵，縮減了天平所需弦向空間，增加了機(jī)翼剛度，解決了試驗(yàn)中機(jī)翼擾度大對(duì)天平測(cè)量存在干擾的問題，同時(shí)該天平可測(cè)量阻力，提高了天平的測(cè)量精準(zhǔn)度。

1 天平研制難點(diǎn)分析

所研制的天平主要用于測(cè)量某無人機(jī)副翼的鉸鏈力矩氣動(dòng)載荷，圖1給出了典型的大展弦比模型示意圖，特點(diǎn)如下：（1）安定面和控制舵厚度小、無法使用桿式鉸鏈力矩天平測(cè)量其氣動(dòng)載荷；（2）舵面受力面積大，載荷大，舵面轉(zhuǎn)軸位于控制舵內(nèi)，試驗(yàn)中舵面需繞轉(zhuǎn)軸變換舵偏角；（3）機(jī)翼薄而長(zhǎng)，試驗(yàn)中受載后變形大。因此，該類模型鉸鏈力矩測(cè)量天平研制有如下關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：

圖1 大展弦比模型示意圖Fig.1 Large aspect ratio model

（1）傳統(tǒng)片式天平存在無法測(cè)量阻力的缺陷，與先進(jìn)飛行器對(duì)鉸鏈力矩高精準(zhǔn)度測(cè)量要求相矛盾。長(zhǎng)期以來，高速風(fēng)洞片式鉸鏈力矩天平均采用無阻力測(cè)量結(jié)構(gòu)，忽略天平阻力測(cè)量后，阻力對(duì)法向力以及鉸鏈力矩的干擾無法得到準(zhǔn)確的修正，對(duì)舵面法向力、鉸鏈力矩以及壓心位置的準(zhǔn)確測(cè)量有較大影響，因此要提高測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性，需要在設(shè)計(jì)中增加阻力測(cè)量結(jié)構(gòu)。

（2）天平各測(cè)量分量靈敏度難以匹配。傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平受結(jié)構(gòu)限制，所受載荷極不匹配，通常只能滿足鉸鏈力矩測(cè)量要求，而法向力和滾轉(zhuǎn)力矩輸出較小，分辨率低。此外，傳統(tǒng)天平一端固定于機(jī)翼，中間是測(cè)量元件，另一端連接測(cè)量舵，天平元件的幾何中心到舵面轉(zhuǎn)軸的距離較遠(yuǎn)，一般幾倍于舵面壓心到舵面轉(zhuǎn)軸的距離，使得舵面氣動(dòng)載荷對(duì)天平產(chǎn)生的附加力矩遠(yuǎn)大于舵面相對(duì)于舵面轉(zhuǎn)軸的鉸鏈力矩，增大了測(cè)量誤差。所以在保證天平具有足夠靈敏度的前提下，還要盡可能使天平幾何中心靠近舵面轉(zhuǎn)軸，以減小附加力矩的干擾。

（3）天平的支撐剛度弱且連接應(yīng)力對(duì)測(cè)量的影響難以消除。傳統(tǒng)片式天平的固定端和自由端尺寸受結(jié)構(gòu)限制，其厚度與測(cè)量元件接近，剛度相對(duì)不足，造成元件在不同連接剛度或不同耦合位置下變形不一致，而且天平校準(zhǔn)狀態(tài)與實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)也難以一致，導(dǎo)致片式天平測(cè)量精準(zhǔn)度偏低；此外，片式天平安裝固定通常采用螺釘連接，而且連接位置距離天平測(cè)量梁較近，天平初讀數(shù)在受載或裝配力改變后會(huì)發(fā)生變化，同樣會(huì)降低天平測(cè)量的精準(zhǔn)度。

（4）試驗(yàn)中機(jī)翼變形對(duì)片式天平測(cè)量的影響大。由于大展弦比模型翼展長(zhǎng)、翼面薄，在氣動(dòng)載荷作用下，機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生明顯的彈性變形，引起天平與模型安定面的連接接口變形，從而導(dǎo)致安裝在機(jī)翼上的傳統(tǒng)片式天平產(chǎn)生額外應(yīng)變輸出，較大影響天平測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 天平設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，通過計(jì)算機(jī)模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出了滿足要求的片式天平，如圖2所示，其具有如下特點(diǎn)：

圖2 單固支鉸鏈力矩天平Fig.2 Single－fixed hinge moment balance

（1）橫置式單固支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用橫置式單固支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，天平布置為沿機(jī)翼展向方向，與傳統(tǒng)天平相比，該方案中天平和舵面的連接部分與天平元件幾何中心基本處于同一弦向位置上，最大限度地縮短了舵面轉(zhuǎn)軸與天平中心的距離，有效減小了天平的附加力矩，增加了天平載荷的匹配性。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)減小了模型（機(jī)翼）支撐處的切削量，使得天平支撐剛度大大提高。圖3和4分別給出了單固支鉸鏈力矩天平和傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平安裝方案圖。

圖3 單固支鉸鏈力矩天平安裝示意圖Fig.3 Installation sketch of the singlefixed hinge moment balance

圖4 傳統(tǒng)片式天平安裝示意圖Fig.4 Installation sketch of the normal sheet hinge moment balance

（2）帶阻力元測(cè)量元件設(shè)計(jì)

鉸鏈力矩天平設(shè)計(jì)中改變了傳統(tǒng)天平結(jié)構(gòu)，使用對(duì)稱布局的兩柱矩形梁結(jié)構(gòu)，通過柱梁的雙彎曲變形來完成對(duì)法向力、鉸鏈力矩、滾轉(zhuǎn)力矩以及軸向力4個(gè)分量的測(cè)量，不用單獨(dú)設(shè)置軸向力測(cè)量元件，天平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，靈敏度匹配合理，受載應(yīng)變輸出均勻，很好地解決了載荷難以匹配的問題。因?yàn)槭侵航Y(jié)構(gòu)作為測(cè)量元件，也避免了傳統(tǒng)片式天平難以克服天平各測(cè)量單元輸出差距大，靈敏度難以匹配以及翹曲和連接應(yīng)力問題。通過有限元模擬計(jì)算分析，天平靈敏度設(shè)計(jì)合理，受載應(yīng)變輸出均勻，整體剛度好。

（3）單固支片式天平的安裝布局

天平采用單固支整體安裝布局方式，天平中部設(shè)計(jì)安裝連接段與支撐模型（機(jī)翼安定面）連接，左右2懸臂端與被測(cè)模型（舵面）連接，測(cè)量敏感元件設(shè)計(jì)在連接段兩側(cè)，由于測(cè)量元件相對(duì)于固定端為懸臂端，機(jī)翼受載變形時(shí)，對(duì)測(cè)量元件的影響很小，圖5給出了固定機(jī)翼根部，在翼尖端施加4000N的升力時(shí)機(jī)翼的變形情況，圖6給出了單固支天平受機(jī)翼變形影響的應(yīng)變分析圖，圖7給出了傳統(tǒng)片式天平受機(jī)翼變形影響的應(yīng)變分析圖。從圖中可看出，單固支天平在機(jī)翼受載變形情況下，產(chǎn)生的應(yīng)變很小，可以忽略不計(jì)，而傳統(tǒng)片式天平受機(jī)翼變形影響很大，必須對(duì)機(jī)翼變形進(jìn)行修正后才能使用。表1給出了某傳統(tǒng)片式鉸鏈力矩天平在機(jī)翼受載情況下對(duì)天平測(cè)量準(zhǔn)度的影響，以及通過外置電橋方法修正后的加載誤差。

圖5 機(jī)翼變形示意圖Fig.5 Sketch of the wing flexibility

圖6 單固支天平受機(jī)翼變形影響應(yīng)變分析圖Fig.6 Strain analysis of the single－fixed hinge moment balance under wing flexibility influence

圖7 傳統(tǒng)片式天平受機(jī)翼變形影響應(yīng)變分析圖Fig.7 Strain analysis of the typical three－components hinge moment balance under wing flexibility influence

表1 外置電橋修正對(duì)天平加載測(cè)值結(jié)果影響Table 1 Influence of the balance calibration results by external bridge amend

（4）組合式測(cè)量電橋設(shè)計(jì)

應(yīng)變計(jì)粘貼位置以及天平橋路設(shè)計(jì)如圖8所示，粘貼應(yīng)變計(jì)全部選用中航電測(cè)公司生產(chǎn)的ZF300－2AA－W（11）－X型常溫應(yīng)變計(jì)進(jìn)行粘貼。測(cè)量電橋采用了組合式電橋測(cè)量方式，分別由M 1＋M 2－M 3－M 4、M 1＋M 3－M 2－M 4、M 1＋M 2＋M 3＋M 4組合成對(duì)Y、Mj和Mx的測(cè)量，X元由單獨(dú)電橋測(cè)量，這樣組合電橋測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）減小了螺釘?shù)劝惭b應(yīng)力對(duì)測(cè)量元件的影響。由于該天平的連接方式為螺釘連接，螺釘壓緊的位置距離天平測(cè)量元件較近，每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力對(duì)元件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不同，用4個(gè)電橋組合的方式可以較好地平衡各測(cè)量元件的內(nèi)應(yīng)力，使天平在校準(zhǔn)和加載的過程中各元的回零和線性較好；（2）M 1、M 2、M 3、M 4這4個(gè)電橋均采用單獨(dú)供電，組合電橋的測(cè)量方式可以提高整個(gè)電橋的總輸出，有利于提高天平的測(cè)量精準(zhǔn)度；（3）該組橋方式中，每個(gè)橋路相對(duì)集中，所以電橋4個(gè)橋臂溫度更為接近，能夠有效減小試驗(yàn)中溫度梯度對(duì)測(cè)量的影響，提高天平測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖8 應(yīng)變計(jì)粘貼接線圖Fig.8 Schematic drawing of strain gauge connection

3 天平靜態(tài)校準(zhǔn)

單固支片式鉸鏈力矩天平在BCL3500準(zhǔn)體軸系校準(zhǔn)架上使用專用加載裝置完成了靜態(tài)校準(zhǔn)，天平X元采用單橋測(cè)量，供橋電壓為10V，Y、Mj和Mx元通過M 1、M 2、M 3、M 4組合電橋測(cè)量，供橋電壓為6V。

校準(zhǔn)中，在機(jī)翼上設(shè)置了外置電橋，便于進(jìn)一步考察試驗(yàn)中機(jī)翼變形對(duì)天平測(cè)量的影響，校準(zhǔn)結(jié)束后，將天平連接至機(jī)翼模型進(jìn)行了舵面加載檢驗(yàn)，以驗(yàn)證天平校準(zhǔn)公式的準(zhǔn)確性。天平設(shè)計(jì)載荷參數(shù)和靜校結(jié)果如表2所示，其中，設(shè)計(jì)載荷是根據(jù)測(cè)量舵面最大計(jì)算載荷加上最大可能誤差給出，平均應(yīng)變是通過有限元計(jì)算得到的在施加最大設(shè)計(jì)載荷時(shí)天平上相關(guān)應(yīng)變計(jì)位置處的應(yīng)變平均值，實(shí)際最大輸出是在施加天平設(shè)計(jì)載荷時(shí)，組合電橋輸出與零載荷時(shí)的輸出差值。機(jī)翼加載誤差是對(duì)于加載真值的相對(duì)誤差，用于檢驗(yàn)天平、天平計(jì)算公式以及整套測(cè)量系統(tǒng)的綜合誤差。機(jī)翼變形對(duì)測(cè)量的影響是指在機(jī)翼翼尖施加500N法向力情況下，機(jī)翼變形對(duì)各測(cè)量分量的影響占各相應(yīng)分量設(shè)計(jì)載荷的比例。

表2 天平設(shè)計(jì)載荷參數(shù)和靜校結(jié)果Table 2 Design parameters and static calibration results of the balance

從靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，天平各單元的輸出較為理想，天平綜合校準(zhǔn)的精準(zhǔn)度也優(yōu)于大部分傳統(tǒng)三分量片式天平。將天平安裝于機(jī)翼時(shí)，天平加載結(jié)果滿足測(cè)量要求。更為重要的是，從機(jī)翼變形對(duì)測(cè)量的影響看，該結(jié)構(gòu)形式的天平受機(jī)翼變形影響很小，可以忽略而不必進(jìn)行修正。該校準(zhǔn)結(jié)果與有限元的分析結(jié)果吻合較好。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖9 試驗(yàn)中天平與模型安裝示意圖Fig.9 Sketch of the balance and model installation in test

圖10 天平重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Repeatability results of balance test

在FL－24風(fēng)洞半模試驗(yàn)段中進(jìn)行了某無人機(jī)機(jī)翼鉸鏈力矩高速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.4～0.65，模型迎角為－4°～12°，副翼舵偏角為0°～20°，圖9為天平與模型安裝示意圖。試驗(yàn)中天平性能穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理，重復(fù)性良好，鉸鏈力矩測(cè)值可信、合理。圖10為試驗(yàn)中0°舵偏角、Ma＝0.4和0.6時(shí)鉸鏈力矩系數(shù)的重復(fù)性，其中曲線1和2為Ma＝0.4時(shí)的重復(fù)性數(shù)據(jù)，曲線3和4為Ma＝0.6時(shí)的重復(fù)性數(shù)據(jù)，圖11為試驗(yàn)中Ma＝0.6時(shí)，鉸鏈力矩系數(shù)隨舵偏角的變化規(guī)律曲線，完全符合預(yù)期。

圖11 鉸鏈力矩特性Fig.11 Hinge moment characteristics

5 結(jié) 論

研制了一種新型單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平，通過靜態(tài)校準(zhǔn)和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）新型天平的研制滿足試驗(yàn)要求。不僅可以有效測(cè)量軸向力，而且具有結(jié)構(gòu)合理、靈敏度高、性能穩(wěn)定、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)。

（2）與傳統(tǒng)片式天平相比，新天平結(jié)構(gòu)緊湊，減小了天平的附加力矩，與模型的連接方式更加穩(wěn)固可靠，采用的組合電橋方案有效地提高了天平的輸出信號(hào)，使得天平靈敏度的匹配更加容易。

（3）克服了大展弦比模型試驗(yàn)中機(jī)翼變形對(duì)天平測(cè)量影響的難題，能有效提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以推廣用于其它鉸鏈力矩試驗(yàn)。

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Development of a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement

Wang Shumin＊，Pan Huaye，Wang Chao，Ma Tao
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Restricted by the condition of the test model and the wind tunnel balance structure，it＇s hard to measure the aerodynamic loads of the control flap accurately by using the normal sheet hinge moment balance.The main reason is there is no axial force measurement on the typical hinge moment balance，and therefore the interference due to the axial force can’t be avoided.Moreover，The data quality of the balance measurement is depressed seriously due to the wing flexibility.To solve this problem，we put efforts to optimize the balance structure at the High Speed Aerodynamic Institution of CARDC.We designed a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement，which has been used in a certain airplane model hinge moment test successfully.The results of the balance calibration and the test data show that this balance can measure the axial force effectively，almost eliminate the influence of the wing flexibility，and increase the matching characteristic of the forces by decreasing additional moment.Using this type of hinge moment balance can increase the quality of the test data efficiently.

hinge moment；wind tunnel balance；aspect ratio；axial force

V211.752；TH715.1＋12

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0086－05

10.11729／syltlx20160003

2016－01－25；

2016－07－21

＊通信作者E－mail：460385002＠qq.com

Wang S M，Pan H Y，Wang C，et al.Development of a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：86－90.王樹民，潘華燁，王 超，等.單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平研制.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（6）：86－90.

王樹民（1968－），女，山東平原人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。研究方向：風(fēng)洞應(yīng)變天平研制與應(yīng)用。通信地址；四川綿陽北川縣永安鎮(zhèn)101信箱206室。E－mail：460385002＠qq.com