1.2m×1.2m跨超声速风洞条带悬挂支撑天平研制

杨洪胜，米 鹏，刘 伟，谢 斌

（中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

0 引 言

中国空气动力研究与发展中心1.2m×1.2m 风洞是我国航空航天飞行器高速模拟试验的一座主力风洞，相继承担和完成了多种飞行器的高速风洞试验任务。

目前，1.2m×1.2m 风洞测力试验支撑方式常用尾支撑、腹支撑、背支撑等支撑模式，这类支撑方式在大型客机、双发布局飞行器以及非常规气动布局飞行器等风洞测力试验中不可避免地存在支撑干扰修正问题。国内外的研究和实践应用表明，采用条带悬挂系统是研究飞行器支撑干扰修正方法，实现飞行器精细化测力技术研究的有效途径，是非常规布局气动外形飞行器理想的支撑手段。因此研制1.2m×1.2m风洞条带悬挂支撑系统具有重要意义，条带悬挂支撑天平（简称为条带天平）作为该系统的核心测量设备，其研制对建立1.2m×1.2m 风洞条带悬挂支撑试验技术至关重要。

1 总体方案

1.1 设计载荷

1.2m×1.2m 风洞条带支撑试验系统采用“Ty-154”模型，试验最大马赫数为0.9，最大迎角为20°，天平设计载荷如表1。

表1 条带悬挂系统专用天平设计载荷（单位：N、N·m）Table 1 The vane cable suspension support balance design loads（Units：N，N·m）

1.2 设计难点分析

1.2m×1.2m 风洞条带系统的模型、条带与天平的装配示意图见图1。标模缩比为1：44，其模型内腔最大处直径为65mm，模型尾段空腔直径只有57mm，天平直径选择受到很大限制，天平的设计空间非常有限，原来适用在有较大模型空腔的环式天平结构在此缩比条件下不适用。同时，较小的模型空腔还将导致天平元件与条带、模型之间的接口设计和安装更加困难。在另一方面，天平升阻比和俯仰力矩较大，纵横向载荷比差异达12.5倍，天平整体载荷匹配性差，设计出既有良好的刚度和较好的灵敏度的条带天平，又能满足系统各项性能要求的天平难度很大。因此，天平设计必须克服模型可用空腔较小、测量载荷较大的关键技术难题，需要研制出一种适合小缩比模型的新型条带天平结构。

图1 模型、条带和天平装配示意图Fig.1 Assembly sketch of the model，vane cable and balance

1.3 整体方案

天平设计为内式六分量天平，要求能同时满足条带悬挂支撑测量和尾撑测量的需要。基于前述难点分析可知，1.2m×1.2m 风洞条带天平的设计难度大，需要突破常规测力天平和环式天平的设计思维模式，研制一种新型结构的条带天平。经过多次优化和仿真分析，天平设计最终确定了一种“Z型剖分E 结构支撑”的新天平结构。天平主要由核心部件、天平侧板、前条带轴销、后条带轴销、定位轴套和专用销螺钉等部分组成，条带天平结构如图2所示。条带天平核心部件和天平侧板通过1 个Φ10mm 和2 个Φ8mm 的专用销螺钉固连，形成“E”形架构，前条带通过前条带轴销和天平固连，后条带通过后条带轴销与天平固连，形成稳固的支撑架构。

图2 条带天平结构Fig.2 The structure of the vane cable suspension support balance

条带天平核心部件的直径为Φ54mm，全长为512mm。为减少附加载荷对天平测量元件的影响，将天平元件测量中心尽量向模型压心靠齐，天平未采用常见的全对称几何布置结构，而是将天平设计测量中心后置，将Y、Mz、Z、My、X、Mx六个分量的测量元件布置在天平后段。经过精密计算，三维建模仿真分析和优化，确定Y、Mz、Z、My、Mx采用中剖式矩形梁结构，该结构形式具有结构简单，刚度大，加工容易，灵敏度高的优点。阻力元件（X元）的设计难度最大，常规应变天平的阻力结构形式由于自身结构特点与小缩比带来的空间限制之间的矛盾决定了无法使用常规阻力元件结构。为此，研制了一种全新的“Z”型剖分的扁平阻力元件结构，阻力测量元件和支撑簧片采用非等厚和变截面结构形式，解决了阻力元件设计的关键技术问题。天平前端顶部开设能穿过前条带的矩形孔，前端侧向中部预留能通过前条带轴销的孔。条带天平核心部件的结构如图3。

图3 条带天平核心部件结构Fig.3 The core components structure of the vane cable suspension support balance

这种“Z型剖分E 结构支撑”架构的条带天平构型有效解决了小缩比模型空间不足带来的难题。同时，该结构还可以通过控制天平前端圆孔和前带轴销的间隙尺寸以及侧板和天平核心元件的间隙大小，实现了天平的纵向和横向限位保护功能，避免在试验过程中过载导致天平损坏或出现试验故障的风险。

由于条带悬挂支撑系统的特殊性，无法在空气动力研究与发展中心高速所的现有天平校准架上完整模拟条带天平受力状况，为准确模拟条带天平工作状况和验证条带系统工作特性，设计了条带天平地面模拟加载系统，如图4。图中加载头通过前锥与天平相连，天平前端利用固连在两侧板上的前轴销与前条带相连，天平后端通过专用轴销与两侧的后条带相连。在该地面模拟系统中，模拟加载框架相当于风洞中的条带支撑系统，加载装置相当于风洞试验中的模型，通过加载装置上的加载点可以准确模拟天平在风洞中的受力状态。

图4 天平地面模拟加载系统Fig.4 The ground simulation loading system of the balance

2 元件灵敏度分析

1.2m×1.2m 风洞条带天平灵敏度与强度分析的有限元网格模型和载荷耦合如图5所示。数学模型去掉了天平前后连接锥、测量梁和阻力支撑梁根部的圆角以及天平连接侧板处的销螺钉等结构，天平所有测量梁和支撑梁均采用六面体20节点单元，其他部位采用四面体10节点单元。在有限元仿真分析中，在天平设计中心按六个载荷分别施加Y、Mz、Z、My、X、Mx各分量载荷，天平各元在贴片处的平均应变见表2，应变分析云图如图6所示。

图5 天平核心元件有限元网格模型及载荷耦合图Fig.5 The FEA grids model and couple loads of the balance core components

图6 天平有限元分析应变云图Fig.6 The strain contour map of the balance by FEA

3 强度校核

天平材料为00Ni18Co8Mo5TiAl高强度马氏体时效钢，屈服极限为1754 N／mm2，材料安全系数取1.5，冲击因子取1，故最大许用应力为：

强度校核采用范·米塞斯（Von.mises）准则，天平在六个分量的最大载荷共同作用下的强度分析结果如图7所示。应力云图上显示，天平最大应力点在天平阻力支撑簧片与断开槽交接处，值为1460N／mm2，但在离开该点处一个网格后的多个节点上，应力迅速降低至700N／mm2以下，因此，该处最大点的应力是网格退化后形成的应力奇点，不具有参考价值。提取核心元件的各元件和危险截面处的最大应力点值均小于700 N／mm2，天平强度满足安全要求。同时，再考虑到天平实际风洞试验马赫数较低，条带天平自带保护性结构，因此，天平是安全的。

图7 强度分析应力图Fig.7 The stress contour of strength analysis

4 天平粘贴与校准

4.1 天平粘贴

1.2m×1.2m 风洞条带天平的Y、Mz、Z、My、X元采用中航电测生产的ZF300-2AA-W（11）-X 型应变计，Mx元 采 用ZF300-2HA-W（11）-X 型 应 变 计。天平Y、Mz、Z、My元测量电桥采用双桥测量电路，天平供桥电压为6V；X、Mx采用单桥测量电路，天平供桥电压为12V，天平各元应变计粘贴位置和组桥方式如图8示，天平各元理论输出结果见表2。1.2m×1.2m 风洞条带天平由于受到模型缩比过小的限制，天平无法采用整流罩来避免试验中有气流流过天平元件表面，为此，在粘贴过程中使用了天平专用防护胶对天平元件进行了防护处理，避免天平元件直接暴露在流动气流中。同时，天平在温度试验箱中进行了20～0℃范围的温度效应测试，测试结果表明天平各元温度效应在试验温度范围内热输出小于0.06μV/（V·℃）。

图8 天平粘贴位置和测量电桥Fig.8 Strain gauge sticking position and measurement bridge of the balance

4.2 天平校准

1.2m×1.2m 风洞条带天平在中国空气动力研究与发展中心高速所BCL-10000校准架上完成静态校准，校准性能指标见表2。天平核心部件、天平侧板、加载装置等零部件一次安装成功。并多次装拆侧板和天平核心部件观测天平M2、M6、MX元初读数，上述各元初读数不受拆装影响。天平校准过程中，天平各元回零良好，性能稳定，测量数据准确可靠，校准过程顺利，天平各项静校指标均达到了国军标要求。在天平完成校准后，将天平安装在地面模拟加载装置上进行了模拟加载，现场模拟加载结果误差小于0.5%，满足项目设计要求。

表2 天平性能参数Table 2 The property parameters of the balance

5 风洞试验

在1.2m×1.2m 风洞开展了条带悬挂支撑系统测力试验，试验马赫数范围为0.4～0.8，迎角范围为-4°～18°。新研制的条带悬挂支撑专用天平进行了M=0.7的7次重复性试验。图9～11给出了重复性试验结果，表3给出了重复性试验精度。从结果来看，在M=0.7、α≤6°范围内，条带悬挂支撑专用天平的三个分量CL、CD与Cm的试验重复性很好，均方根误差均达到了国军标合格指标，部分试验点达到先进指标，比如：σCL=0.0004，σCD=0.0001，σCm=0.0002。在8°≤α≤18°范围内，除个别点外，试验重复性也很好。

图9 重复性试验曲线CL～αFig.9 The CL～αcurves of repeating tests

图10 重复性试验曲线CD～αFig.10 The CD～αcurves of repeating tests

从图12中的CL～α升力曲线可以看出，在试验范围M=0.4～0.8、-4°≤α≤18°内，升力曲线规律合理，小迎角内线性良好。从图13中的Cm～CL力矩曲线可以看出，在试验范围内，俯仰力矩曲线规律合理，小迎角内线性良好。从图14中的CL～CD极曲线可以看出，在试验范围内，阻力曲线规律合理，呈典型的大飞机的阻力特性。

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

图12 标模纵向气动特性曲线CL～αFig.12 The CL～αcurves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

图13 标模纵向气动特性曲线Cm～CLFig.13 The Cm～CL curves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

图14 标模纵向气动特性曲线CL～CDFig.14 The CL～CD curves of the standard model's normal aerodynamic characteristic

试验过程中，条带悬挂支撑纵向刚度良好，吹风试验过程平稳，模型抖动很小，天平性能稳定，试验数据规律合理，天平回零良好，试验进展顺利。

6 结 论

（1）1.2m×1.2m 条带悬挂支撑天平研制是成功的；

（a）从天平校准情况看，天平静校的结果全部满足国军标指标要求；

（b）天平动校试验结果表明，天平重复性精度良好，达到国军标指标要求；

（c）条带天平在静校、动校和风洞试验过程中性能稳定，回零良好。天平的设计性能达到了预定指标，完全满足试验需要；

（2）1.2m×1.2m 条带悬挂支撑天平结构新颖，合理、可靠，具有重要工程应用价值；

（a）“Z型剖分E结构支撑”开创了一种条带天平新结构；

（b）天平具有“自保护”结构。天平利用了前条带轴销、天平两侧板和天平测量部件组成有效的过载保护系统，避免过大的载荷特别是横向载荷对测力天平元件带来的损毁性风险；

（c）高速条带悬挂支撑测试技术一般在较大风洞展开，该天平结构为较小风洞内展开条带悬挂支撑测试技术研究提供了可行性支持；

（d）解决了小缩比模型采用环式条带天平对模型空间有较大的依赖特性和阻力设计难题；

（e）该天平结构在双发布局飞机等扁平类作战飞机的条带悬挂支撑测量中有较好的应用前景。

致谢：在1.2m×1.2m 跨超声速风洞条带悬挂支撑天平研制过程中，中国空气动力研究中心高速所高级实验师、全国先进工作者、天平专家刘维亮同志多次提出宝贵意见，在此表示感谢！

［1］ 贺德馨.风洞天平［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［2］ 恽起麟.风洞实验数据的误差与修正［M］.北京：国防工业出版社，1996.

［3］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［4］ 杨洪胜.1.2m×1.2m 条带悬挂支撑天平设计图［R］.CARDC-2，2011.

［5］ 杨洪胜.1.2m×1.2m 条带悬挂支撑天平校准证书［R］.CARDC-2，2011.

［6］ 杨洪胜.1.2m×1.2m 风洞条带悬挂支撑天平研制报告［R］.CARDC-2，2011.

［7］ 尹陆平.1.2m×1.2m 风洞条带悬挂支撑系统调试及标模试验报告［R］.CARDC-2，2012.

［8］ 尹陆平.1.2m×1.2m 风洞条带悬挂支撑系统研制工程总结报告［R］.CARDC-2，2012.