中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术.pdf
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1、ALIB力2023年实6月第45卷第3期践学中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术高腾龙1)孟敏何发东蒋献陈致名(中国飞行试验研究院飞机所,西安7 10 0 8 9)摘要针对中央肋对接平尾结构,使用直接测量法和提出的唯象拟合法对其非对称弯矩载荷进行测量。通过先后开展虚拟试验和地面载荷校准试验,分别建立了两种测量方法的非对称载荷模型,并对其适用性和准确性进行研究。地面试验和飞行试验结果显示,唯象拟合法能够有效地完成平尾结构的非对称载荷测量,地面试验验模误差最大值为1.57%;直接测量法由于中央对称面附近连接有对接肋和平尾接头等导致局部传力比较复杂,测量精度较差,地面试验验模误差达到8.11%。关键
2、词非对称载荷,抖振,虚拟试验,载荷校准试验,飞行试验中图分类号:V217.32文献标识码:Adoi:10.6052/1000-0879-22-431SYMMETRICLOAD MEASUREMENT TECHNOLOGY FORCENTRAL RBUTTEDHORIZONTALTAILSTRUCTUREGAO Tenglongl)MENGMinHE FadongJIANGXianCHEN Zhiming(Aircraft Institution,Chinese Flight Test Establishment,Xian 710089,China)Abstract For the centra
3、l rib butted horizontal tail structure,the asymmetric bending moment loads weremeasured by the direct measurement method and the proposed phenomenological fitting method.By carryingout virtual test and ground load calibration test successively,the asymmetric load models of the twomeasurement methods
4、 were established respectively,and their applicability and accuracy were studied.Theground load calibration test and flight test results show that the phenomenological fitting method couldeffectively complete the asymmetric load measurement of the horizontal tail structure,and the maximum valueof th
5、e ground load calibration test model inspection error was 1.57%.In the direct measurement method,due tothe connection of butt ribs and flat tail joints which near the central symmetry plane,the local forcetransmission of strain gage station was relatively complex.The accuracy of direct measurement m
6、ethod waspoor,and the ground load calibration test model inspection error was up to 8.11%.Keywordsasymmetric load,buffet,virtual test,load calibration test,flight test飞机平尾结构在偏航机动、滚转机动、抖振和失速等情况下承受非对称载荷 1-2。在军民用飞机平尾结构的设计过程中必须考虑非对称载荷的影响,以保证飞机平尾及其支撑结构有足够的强度,进一步保障飞机飞行的安全性能 3-4。飞机抖振造成的平尾非对称载荷是由于机翼气流分离等造成的
7、,一般具有发散性 5-6,现有计算方法难以准确计算,因此需要通过飞行试验开展非对称载荷实测以保障试飞的安全。载荷实测方法主要包括应变法和压力分布法两种,应变法通过建立应变响应与载荷之间的数学模型,在飞行试验中采集记录应变响应计算得2022-07-27收到第1稿,2 0 2 2-10-0 1收到修改稿。1)高腾龙,工程师,研究方向为飞行载荷与强度。E-mail:g a o.t l f o x m a i l.c o m引用格式:高腾龙,孟敏,何发东等.中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术.力学与实践,2 0 2 3,45(3):551-558Gao Tenglong,Meng Min,He Fa
8、dong,et al.Asymmetric load measurement technology for central rib butted horizontal tailstructure.Mechanics in Engineering,2023,45(3):551-558力552实践2023年第45卷学到指定剖面的飞行载荷;压力分布法则通过测量面不同位置的压力数值及分布情况,以积分的计算方法得到结构的气动载荷 7-1。相对而言,应变法技术成熟度较高,在飞行载荷测量中应用较为广泛。平尾中央对称面处的非对称弯矩载荷是实测的重点和难点。民用飞机的左右平尾一般通过中央肋或中央翼盒结构进行连接
9、,中央翼盒结构后梁具有连续的平面结构,可以通过在其后梁的中央对称面上布置应变电桥对非对称弯矩载荷进行测量12-15。而中央肋对接平尾结构的前后梁一般带有转折面,并且由于对接肋的存在使得对称面附近的传力更为复杂,直接在中央对称面处进行载荷测量的精度无法预测。本文针对中央肋对接平尾结构,在应变法的测量基础上,结合工程实践经验和理论推导给出两种中央对称面非对称弯矩载荷的测量方法,并通过虚拟试验、地面试验和飞行试验对其测量精度和适用性进行验证和分析。1非对称载荷测量方法1.1直接测量法直接测量法通过在平尾结构的中央对称面上布置应变电桥开展平尾非对称弯矩载荷的测量。对于带有中央翼盒的平尾结构,中央翼盒的
10、对称面上一般不直接连接肋结构,传力较为简单且具备良好的应变改装条件,通过该方法建立的非对称弯矩载荷模型具有较高的测量精度12。对于中央肋对接平尾结构,其对称面的前后梁处均带有转折角度,并且对接肋的存在使得对称面附近的传力较为复杂,因此在选择电桥的布置位置时应向两侧进行平移,避开平尾中央对接肋、连接角盒和平尾接头等结构,避免在测量过程中引入复杂的应力传递和应力集中问题,应变计位置示意图如图1所示。飞机左右平尾受载一致时,对称位置的应变电桥响应数值基本相同,线性叠加后对于对称载荷不敏感。当平尾承受非对称载荷时,载荷大的一侧电桥响应也较大,组合后的电桥响应对于非对称载荷则较为敏感。直接测量法的原理为
11、MR=kiMl+k2 ur(1)式中,MHR为平尾中央对称面非对称弯矩载荷,I和r分别为左、右平尾的应变电桥响应,ki和kz为载荷方程系数。考虑到平尾对接肋与接头之间结构的受力复杂性,该种方法的适用性及可靠性有待通过试验验证,因此有必要提出可靠性更高的非对称弯矩载荷测量方法。central plane of symmetrystraingage图1电电桥改装位置示意图Fig.1Schematic diagram of position of strain gage1.2唯象拟合法唯象拟合法通过中央对称面外侧剖面的应变电桥响应,直接进行多元线性回归建立平尾非对称弯矩载荷模型。该方法的测载剖面上布
12、置有弯矩、剪力和扭矩电桥,剖面位置位于平尾外露部分根部,不仅能够有效避免中央肋和平尾接头等结构的传力影响,还可以更加充分地感受单侧平尾外露部分所承受的载荷。对称面与测载剖面之间面积小且基本由机身尾部包裹,因此该区域气动载荷对平尾非对称载荷的影响可以忽略不计。平尾根部外侧受到外载荷作用时,该测载部面承受弯矩、剪力和扭矩载荷。中央对称面的非对称弯矩载荷可以由测载剖面的弯矩、剪力和扭矩载荷进行几何折算得到 16)L=Mcos+Tsin+Vy(2)MHR=LI-Lr(3)M=11+22+.+mmT=11+22+.+mm(4)V=11+22+.+mm式中,L为中央对称面的单侧弯矩载荷即滚转力矩,M为测载
13、剖面弯矩,T为扭矩,V为剪力;MHR为平尾中央对称面非对称弯矩载荷,为左平尾滚转力矩L与右侧L之差;m为参与建模的第m个外露根剖面应变电桥响应;m,m,m均为载荷方程系数,式中的几何参数示意见图2。图553高腾龙等:中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术第3 期中,P为测载剖面与剖面刚轴的交点,为剖面刚轴与飞机侧向的夹角,y为交点P距中央对称面的距离。central plane ofsymmetrystraingagestationMVLyPlateral ofaircraftTreference axis of station图2 测载剖面几何参数示意图Fig.2Geometry parame
14、ters of strain gage station直接使用式(2)式(4)开展中央对称面的非对称弯矩折算时,需要先建立测载剖面的弯矩、剪力和扭矩载荷模型,将载荷模型和精确的几何参数代入式(2),计算得到平尾的非对称弯矩载荷。其测量精度与几何参数和剖面载荷模型精度直接相关,并且在建模过程中需要引入较多的应变电桥以保证其准确性,相对而言其鲁棒性较差。为简化该方法的操作性并提升载荷模型的鲁棒性,将式(4)代入式(2)变形可得L=M cos+Tsin+Vy=(11+Q22+.+mm)cos+(ii+22+.+mm)sin+(11+22+mm)y=(1 cos +i sin+1y)1+(2 cos
15、+2 sin +2y)2+.+(m cos+m sin+my)m=ki1+k22+.+kmm(5)显然,平尾结构的非对称弯矩与平尾根部测载剖面的应变电桥响应成多元线性关系。式(5)即为使用唯象拟合法直接建立测载剖面电桥响应与平尾非对称弯矩载荷之间的数学模型,式中km为载荷模型系数。唯象拟合法通过中央对称面外侧的应变电桥响应直接进行多元线性回归建立平尾非对称弯矩载荷模型,不关注测载剖面上弯矩、剪力和扭矩载荷与非对称弯矩载荷的几何关系,属于一种唯象型的建模方法。唯象拟合法建模的电桥选择具有多样性,对外露根剖面的几何参数,弯矩、剪力和扭矩载荷方程精度不具有依赖性。相比直接测量法,唯象拟合法不受中央肋
16、及平尾接头等结构传力复杂性的影响,方法更具有可靠性。2虚拟校准试验2.1有限元模型建立中央肋对接平尾结构的简化有限元模型,通过开展虚拟载荷校准试验 17-19,对直接测量法和唯象拟合法两种测量方法的可行性进行分析。平尾为典型双梁结构,带有2 5的后掠角。其简化模型示意如图3 和图4所示,包括前后梁、蒙皮及肋等主要承力及传力部件。单侧平尾简化模型包括7 个主肋,通过中央对称肋前缘和两侧的1剖面肋后缘与机身相连接。图3平尾结构简化模型Fig.3Simplified model of horizontal tail structure参照平尾结构的真实约束形式,在有限元模型中添加前后梁平尾接头的约束
17、定义。开展虚拟载荷校准试验需要定义载荷加载点,试验中左右平尾各设置12 个加载点,位于前后梁与肋位的交点处,右平尾加载点的具体布置情况见图4。station 1 on station 1ontheleftthe right茶station 2 onstation 2onthe right6theleft图4虚拟电桥剖面及加载点示意图Fig.4 Schematic diagram of virtual strain gage station andload position在有限元模型中构建虚拟应变电桥,如图4所示,直接测量法应变电桥布置在1剖面位置,唯象拟合法应变电桥布置在2 剖面位置,2 剖
18、面为平尾外露部分的根部剖面。2.2工况设计平尾非对称载荷测量的虚拟校准试验目的在于建立虚拟应变电桥响应与加载非对称弯矩载荷力554实践2023年第45卷学之间的模型关系。由于1剖面及2 剖面距离中央对接肋和接头位置相对较近,平尾结构施加单侧载荷时,不加载侧的应变电桥可能会存在一定的异侧载荷响应进而影响载荷模型精度 13.2 0。为减小电桥异侧载荷响应的影响,本次虚拟载荷校准试验共设计有42 个试验工况,其中包括对称工况2 4个,非对称工况18 个。通过对称工况和非对称工况共同参与建模以建立更高精度的载荷模型,虚拟载荷校准试验的具体工况类型见表1。表1虚拟校准试验工况Table1Conditio
19、ns of virtual load calibration testNumbers ofLoading Methodconditionsingle point symmetrical loading12multipoint symmetrical loading12four point unilateral loading10six point unilateral loading4six point asymmetrical loading4total422.3试验结果及分析通过虚拟校准试验得到平尾模型的应力应变云图,图5显示了单侧加载时的计算结果,图中对变形因子进行了一定程度的放大,因此
20、变形趋势较为明显。根据计算结果提取虚拟电桥的应变数值 17,代入式(1)及式(5)中开展平尾非对称弯矩载荷的建模。直接测量法和唯象拟合法分别通过左右平尾1剖面后梁应变电桥响应和2 剖面应变电桥响应进行分析,并通过多元线性回归方法对电桥应变响应前的系数ki进行拟合求解,建立中央对称肋S,MisesSNEG,(fraction=-1.0)(avg:75%).293X102.185X1021:0781029.6981018:8211017.5431019:468185.388X10132i.233X101.155x1011.0781017.238父18-9(a)应力云图(a)Stress nepho
21、gramE,E12SNEG,(fraction=-1.0)(avg:75%)8.288X10-46.036X10-43783X10-431X10-41810-57418-42710-447910-473218-4198x10-31.42418-3.64910-31.87410-3(b)剪应变云图(b)Shear strain nephogram图5单边加载工况云图结果Fig.5Contours of one side loading condition的非对称弯矩载荷模型 2 1-2 3。O表2 给出了两种方法下的非对称弯矩载荷验模误差,表中的非对称弯矩为左平尾载荷造成的中央对称面弯矩减去右侧
22、载荷造成的中央对称面弯矩。通过表中的数据可以发现,尽管直接测量法仍然能够在一定程度上预测平尾的非对称载荷趋势,但其测量精度较差,验模误差达到7%,说明中央对接肋和平尾接头对其测量精度影响较大。唯象拟合法使用前后梁的弯矩和剪力电桥进行建模,得到模型的验模误差在1%以内,更加准确可靠地完成了对平尾非对称弯矩载荷的测量。表2 虚拟校准试验下两种方法的验模误差Table 2 Load equation error of the two methods during virtual load calibration testActual asymmetric Calculated asymmetricV
23、alidationLoad equationMethodbending moment/bending moment/conditionerror/%(kNm)(kNm)110.2610.986.99direct measurement method229.2728.08-4.07110.2610.19-0.69proposed phenomenological fittingmethod229.2729.22-0.17555高腾龙等:中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术第3 期3载荷校准试验3.1试验实施地面载荷校准试验共完成表1中所示的4 2 个试验工况,两侧非对称加载工况分别为“10 0
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