楊洪勝，米 鵬，劉 偉，謝 斌

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

中國空氣動力研究與發(fā)展中心1.2m×1.2m 風洞是我國航空航天飛行器高速模擬試驗的一座主力風洞，相繼承擔和完成了多種飛行器的高速風洞試驗任務。

目前，1.2m×1.2m 風洞測力試驗支撐方式常用尾支撐、腹支撐、背支撐等支撐模式，這類支撐方式在大型客機、雙發(fā)布局飛行器以及非常規(guī)氣動布局飛行器等風洞測力試驗中不可避免地存在支撐干擾修正問題。國內(nèi)外的研究和實踐應用表明，采用條帶懸掛系統(tǒng)是研究飛行器支撐干擾修正方法，實現(xiàn)飛行器精細化測力技術研究的有效途徑，是非常規(guī)布局氣動外形飛行器理想的支撐手段。因此研制1.2m×1.2m風洞條帶懸掛支撐系統(tǒng)具有重要意義，條帶懸掛支撐天平（簡稱為條帶天平）作為該系統(tǒng)的核心測量設備，其研制對建立1.2m×1.2m 風洞條帶懸掛支撐試驗技術至關重要。

1 總體方案

1.1 設計載荷

1.2m×1.2m 風洞條帶支撐試驗系統(tǒng)采用“Ty-154”模型，試驗最大馬赫數(shù)為0.9，最大迎角為20°，天平設計載荷如表1。

表1 條帶懸掛系統(tǒng)專用天平設計載荷（單位：N、N·m）Table 1 The vane cable suspension support balance design loads（Units：N，N·m）

1.2 設計難點分析

1.2m×1.2m 風洞條帶系統(tǒng)的模型、條帶與天平的裝配示意圖見圖1。標?？s比為1：44，其模型內(nèi)腔最大處直徑為65mm，模型尾段空腔直徑只有57mm，天平直徑選擇受到很大限制，天平的設計空間非常有限，原來適用在有較大模型空腔的環(huán)式天平結(jié)構(gòu)在此縮比條件下不適用。同時，較小的模型空腔還將導致天平元件與條帶、模型之間的接口設計和安裝更加困難。在另一方面，天平升阻比和俯仰力矩較大，縱橫向載荷比差異達12.5倍，天平整體載荷匹配性差，設計出既有良好的剛度和較好的靈敏度的條帶天平，又能滿足系統(tǒng)各項性能要求的天平難度很大。因此，天平設計必須克服模型可用空腔較小、測量載荷較大的關鍵技術難題，需要研制出一種適合小縮比模型的新型條帶天平結(jié)構(gòu)。

圖1 模型、條帶和天平裝配示意圖Fig.1 Assembly sketch of the model，vane cable and balance

1.3 整體方案

天平設計為內(nèi)式六分量天平，要求能同時滿足條帶懸掛支撐測量和尾撐測量的需要?；谇笆鲭y點分析可知，1.2m×1.2m 風洞條帶天平的設計難度大，需要突破常規(guī)測力天平和環(huán)式天平的設計思維模式，研制一種新型結(jié)構(gòu)的條帶天平。經(jīng)過多次優(yōu)化和仿真分析，天平設計最終確定了一種“Z型剖分E 結(jié)構(gòu)支撐”的新天平結(jié)構(gòu)。天平主要由核心部件、天平側(cè)板、前條帶軸銷、后條帶軸銷、定位軸套和專用銷螺釘?shù)炔糠纸M成，條帶天平結(jié)構(gòu)如圖2所示。條帶天平核心部件和天平側(cè)板通過1 個Φ10mm 和2 個Φ8mm 的專用銷螺釘固連，形成“E”形架構(gòu)，前條帶通過前條帶軸銷和天平固連，后條帶通過后條帶軸銷與天平固連，形成穩(wěn)固的支撐架構(gòu)。

圖2 條帶天平結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the vane cable suspension support balance

條帶天平核心部件的直徑為Φ54mm，全長為512mm。為減少附加載荷對天平測量元件的影響，將天平元件測量中心盡量向模型壓心靠齊，天平未采用常見的全對稱幾何布置結(jié)構(gòu)，而是將天平設計測量中心后置，將Y、Mz、Z、My、X、Mx六個分量的測量元件布置在天平后段。經(jīng)過精密計算，三維建模仿真分析和優(yōu)化，確定Y、Mz、Z、My、Mx采用中剖式矩形梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式具有結(jié)構(gòu)簡單，剛度大，加工容易，靈敏度高的優(yōu)點。阻力元件（X元）的設計難度最大，常規(guī)應變天平的阻力結(jié)構(gòu)形式由于自身結(jié)構(gòu)特點與小縮比帶來的空間限制之間的矛盾決定了無法使用常規(guī)阻力元件結(jié)構(gòu)。為此，研制了一種全新的“Z”型剖分的扁平阻力元件結(jié)構(gòu)，阻力測量元件和支撐簧片采用非等厚和變截面結(jié)構(gòu)形式，解決了阻力元件設計的關鍵技術問題。天平前端頂部開設能穿過前條帶的矩形孔，前端側(cè)向中部預留能通過前條帶軸銷的孔。條帶天平核心部件的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 條帶天平核心部件結(jié)構(gòu)Fig.3 The core components structure of the vane cable suspension support balance

這種“Z型剖分E 結(jié)構(gòu)支撐”架構(gòu)的條帶天平構(gòu)型有效解決了小縮比模型空間不足帶來的難題。同時，該結(jié)構(gòu)還可以通過控制天平前端圓孔和前帶軸銷的間隙尺寸以及側(cè)板和天平核心元件的間隙大小，實現(xiàn)了天平的縱向和橫向限位保護功能，避免在試驗過程中過載導致天平損壞或出現(xiàn)試驗故障的風險。

由于條帶懸掛支撐系統(tǒng)的特殊性，無法在空氣動力研究與發(fā)展中心高速所的現(xiàn)有天平校準架上完整模擬條帶天平受力狀況，為準確模擬條帶天平工作狀況和驗證條帶系統(tǒng)工作特性，設計了條帶天平地面模擬加載系統(tǒng)，如圖4。圖中加載頭通過前錐與天平相連，天平前端利用固連在兩側(cè)板上的前軸銷與前條帶相連，天平后端通過專用軸銷與兩側(cè)的后條帶相連。在該地面模擬系統(tǒng)中，模擬加載框架相當于風洞中的條帶支撐系統(tǒng)，加載裝置相當于風洞試驗中的模型，通過加載裝置上的加載點可以準確模擬天平在風洞中的受力狀態(tài)。

圖4 天平地面模擬加載系統(tǒng)Fig.4 The ground simulation loading system of the balance

2 元件靈敏度分析

1.2m×1.2m 風洞條帶天平靈敏度與強度分析的有限元網(wǎng)格模型和載荷耦合如圖5所示。數(shù)學模型去掉了天平前后連接錐、測量梁和阻力支撐梁根部的圓角以及天平連接側(cè)板處的銷螺釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)，天平所有測量梁和支撐梁均采用六面體20節(jié)點單元，其他部位采用四面體10節(jié)點單元。在有限元仿真分析中，在天平設計中心按六個載荷分別施加Y、Mz、Z、My、X、Mx各分量載荷，天平各元在貼片處的平均應變見表2，應變分析云圖如圖6所示。

圖5 天平核心元件有限元網(wǎng)格模型及載荷耦合圖Fig.5 The FEA grids model and couple loads of the balance core components

圖6 天平有限元分析應變云圖Fig.6 The strain contour map of the balance by FEA

3 強度校核

天平材料為00Ni18Co8Mo5TiAl高強度馬氏體時效鋼，屈服極限為1754 N／mm2，材料安全系數(shù)取1.5，沖擊因子取1，故最大許用應力為：

強度校核采用范·米塞斯（Von.mises）準則，天平在六個分量的最大載荷共同作用下的強度分析結(jié)果如圖7所示。應力云圖上顯示，天平最大應力點在天平阻力支撐簧片與斷開槽交接處，值為1460N／mm2，但在離開該點處一個網(wǎng)格后的多個節(jié)點上，應力迅速降低至700N／mm2以下，因此，該處最大點的應力是網(wǎng)格退化后形成的應力奇點，不具有參考價值。提取核心元件的各元件和危險截面處的最大應力點值均小于700 N／mm2，天平強度滿足安全要求。同時，再考慮到天平實際風洞試驗馬赫數(shù)較低，條帶天平自帶保護性結(jié)構(gòu)，因此，天平是安全的。

圖7 強度分析應力圖Fig.7 The stress contour of strength analysis

4 天平粘貼與校準

4.1 天平粘貼

1.2m×1.2m 風洞條帶天平的Y、Mz、Z、My、X元采用中航電測生產(chǎn)的ZF300-2AA-W（11）-X 型應變計，Mx元 采 用ZF300-2HA-W（11）-X 型 應 變 計。天平Y(jié)、Mz、Z、My元測量電橋采用雙橋測量電路，天平供橋電壓為6V；X、Mx采用單橋測量電路，天平供橋電壓為12V，天平各元應變計粘貼位置和組橋方式如圖8示，天平各元理論輸出結(jié)果見表2。1.2m×1.2m 風洞條帶天平由于受到模型縮比過小的限制，天平無法采用整流罩來避免試驗中有氣流流過天平元件表面，為此，在粘貼過程中使用了天平專用防護膠對天平元件進行了防護處理，避免天平元件直接暴露在流動氣流中。同時，天平在溫度試驗箱中進行了20～0℃范圍的溫度效應測試，測試結(jié)果表明天平各元溫度效應在試驗溫度范圍內(nèi)熱輸出小于0.06μV/（V·℃）。

圖8 天平粘貼位置和測量電橋Fig.8 Strain gauge sticking position and measurement bridge of the balance

4.2 天平校準

1.2m×1.2m 風洞條帶天平在中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所BCL-10000校準架上完成靜態(tài)校準，校準性能指標見表2。天平核心部件、天平側(cè)板、加載裝置等零部件一次安裝成功。并多次裝拆側(cè)板和天平核心部件觀測天平M2、M6、MX元初讀數(shù)，上述各元初讀數(shù)不受拆裝影響。天平校準過程中，天平各元回零良好，性能穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確可靠，校準過程順利，天平各項靜校指標均達到了國軍標要求。在天平完成校準后，將天平安裝在地面模擬加載裝置上進行了模擬加載，現(xiàn)場模擬加載結(jié)果誤差小于0.5%，滿足項目設計要求。

表2 天平性能參數(shù)Table 2 The property parameters of the balance

5 風洞試驗

在1.2m×1.2m 風洞開展了條帶懸掛支撐系統(tǒng)測力試驗，試驗馬赫數(shù)范圍為0.4～0.8，迎角范圍為-4°～18°。新研制的條帶懸掛支撐專用天平進行了M=0.7的7次重復性試驗。圖9～11給出了重復性試驗結(jié)果，表3給出了重復性試驗精度。從結(jié)果來看，在M=0.7、α≤6°范圍內(nèi)，條帶懸掛支撐專用天平的三個分量CL、CD與Cm的試驗重復性很好，均方根誤差均達到了國軍標合格指標，部分試驗點達到先進指標，比如：σCL=0.0004，σCD=0.0001，σCm=0.0002。在8°≤α≤18°范圍內(nèi)，除個別點外，試驗重復性也很好。

圖9 重復性試驗曲線CL～αFig.9 The CL～αcurves of repeating tests

圖10 重復性試驗曲線CD～αFig.10 The CD～αcurves of repeating tests

從圖12中的CL～α升力曲線可以看出，在試驗范圍M=0.4～0.8、-4°≤α≤18°內(nèi)，升力曲線規(guī)律合理，小迎角內(nèi)線性良好。從圖13中的Cm～CL力矩曲線可以看出，在試驗范圍內(nèi)，俯仰力矩曲線規(guī)律合理，小迎角內(nèi)線性良好。從圖14中的CL～CD極曲線可以看出，在試驗范圍內(nèi)，阻力曲線規(guī)律合理，呈典型的大飛機的阻力特性。

表3 天平動校精度（M=0.7，β=0°）Table 3 Dynamic calibration precision of the balance（M=0.7，β=0°）

圖12 標模縱向氣動特性曲線CL～αFig.12 The CL～αcurves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

圖13 標?？v向氣動特性曲線Cm～CLFig.13 The Cm～CL curves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

圖14 標?？v向氣動特性曲線CL～CDFig.14 The CL～CD curves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

試驗過程中，條帶懸掛支撐縱向剛度良好，吹風試驗過程平穩(wěn)，模型抖動很小，天平性能穩(wěn)定，試驗數(shù)據(jù)規(guī)律合理，天平回零良好，試驗進展順利。

6 結(jié) 論

（1）1.2m×1.2m 條帶懸掛支撐天平研制是成功的；

（a）從天平校準情況看，天平靜校的結(jié)果全部滿足國軍標指標要求；

（b）天平動校試驗結(jié)果表明，天平重復性精度良好，達到國軍標指標要求；

（c）條帶天平在靜校、動校和風洞試驗過程中性能穩(wěn)定，回零良好。天平的設計性能達到了預定指標，完全滿足試驗需要；

（2）1.2m×1.2m 條帶懸掛支撐天平結(jié)構(gòu)新穎，合理、可靠，具有重要工程應用價值；

（a）“Z型剖分E結(jié)構(gòu)支撐”開創(chuàng)了一種條帶天平新結(jié)構(gòu)；

（b）天平具有“自保護”結(jié)構(gòu)。天平利用了前條帶軸銷、天平兩側(cè)板和天平測量部件組成有效的過載保護系統(tǒng)，避免過大的載荷特別是橫向載荷對測力天平元件帶來的損毀性風險；

（c）高速條帶懸掛支撐測試技術一般在較大風洞展開，該天平結(jié)構(gòu)為較小風洞內(nèi)展開條帶懸掛支撐測試技術研究提供了可行性支持；

（d）解決了小縮比模型采用環(huán)式條帶天平對模型空間有較大的依賴特性和阻力設計難題；

（e）該天平結(jié)構(gòu)在雙發(fā)布局飛機等扁平類作戰(zhàn)飛機的條帶懸掛支撐測量中有較好的應用前景。

致謝：在1.2m×1.2m 跨超聲速風洞條帶懸掛支撐天平研制過程中，中國空氣動力研究中心高速所高級實驗師、全國先進工作者、天平專家劉維亮同志多次提出寶貴意見，在此表示感謝！

［1］ 賀德馨.風洞天平［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［2］ 惲起麟.風洞實驗數(shù)據(jù)的誤差與修正［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［3］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］ 楊洪勝.1.2m×1.2m 條帶懸掛支撐天平設計圖［R］.CARDC-2，2011.

［5］ 楊洪勝.1.2m×1.2m 條帶懸掛支撐天平校準證書［R］.CARDC-2，2011.

［6］ 楊洪勝.1.2m×1.2m 風洞條帶懸掛支撐天平研制報告［R］.CARDC-2，2011.

［7］ 尹陸平.1.2m×1.2m 風洞條帶懸掛支撐系統(tǒng)調(diào)試及標模試驗報告［R］.CARDC-2，2012.

［8］ 尹陸平.1.2m×1.2m 風洞條帶懸掛支撐系統(tǒng)研制工程總結(jié)報告［R］.CARDC-2，2012.