飞机起落架载荷校准六分量应变天平

曹景涛

【摘 要】 地面校准试验是采用应变法测量飞机起落架使用载荷的关键。以往的起落架载荷校准试验是将起落架从飞机上拆下来，固定在专门研制的夹具上实施。受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启示，我们研制了专门用于起落架载荷校准试验的六分量应变天平，实现了飞机起落架与机体真实连接状态下载荷校准，模拟了起落架真实使用状态下的受载情况，提高了试验精度，缩短了试验周期，节省了试验成本。

【关键词】 飞机起落架 载荷 六分量应变天平 应用验证

1 引言

飞机起落架在起飞、着陆过程中受到的外载荷是飞机结构设计中重要的设计参数。用应变法测量起落架的使用载荷，需要对起落架实施地面载荷校准试验。过去起落架载荷校准试验一直沿用将起落架从飞机上拆下来，固定在专门设计的夹具上进行加载试验，试验完成后再将起落架安装到飞机上进行飞行实测。这种方法要拆、装起落架，还要求专门的起落架固定和加载设施，试验成本高、周期长。其最大的缺陷是，在加载试验中起落架与专用夹具的连接无法模拟起落架与飞机连接的真实刚度，从而使试验与飞行实测中起落架的固定状态不完全一致，产生无法定量预计的测量误差。

受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启发，我们设计研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平（以下简称天平），通过该天平，可在飞机真实停放状态下进行起落架载荷校准试验。

2 六分量起落架载荷校准应变天平研制

在分析研究飞机起落架受载特点及载荷校准试验需求的基础上，结合风洞测力天平，研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平。

2.1 主要技术指标

a）设计载荷：航向（PX）：±100KN，垂向（PY）：150KN，侧向（PZ）±80KN：，扭矩（My）：±20KN·m；

b）结构尺寸：1400mm（长）×1100mm（宽）×300mm（高）；

c）精准度：测量精度（重复性）应优于0.3%，测量准度应优于1.5%；

d）天平上表面与轮胎接触部分摩擦系数不小于0.7。

2.2 天平结构及测试原理

由于天平设计载荷较大，结构尤其高度要求较小，故选用多元测力传感器作为敏感元件来降低平台高度。天平由上连接板、3台成正三角形布置的固定在上连接板与下连接板之间多元测力传感器、下连接板组成，通过上连接板将作用在起落架上的载荷传递到3个测力传感器上，每个测力传感器可测出三维正交力，通过求解，可得到作用在起落架上的六个分量的载荷。当加载杆对天平下连接板施加载荷时，平台上部天平和天平底座之间产生相对滑动，同时带动固定天平上表面的起落架产生变形，并对变形的反作用力进行测量。天平上表面与轮胎接触部分采用专用摩擦垫板增大摩擦力。天平结构见图1。天平受力简图见图2。

天平静力平衡矩阵如下：

=

式中：PX、PY、PZ、MY飞机起落架被测得航向、垂向、侧向载荷及垂向扭矩；

L1、L2为起落架载荷校准应变天平3个多元传感器间距（如图2）；

PX1、PX2、PX3、PY1、PY2、PY3、PZ1、PZ2、PZ3为图2中所示的3个多元力传感器与坐标方向相同的3个力。

天平上的3台多元测力传感器每台布置3个通道的应变电桥，总计9个应变电桥。作用在天平上载荷的大小、方向和作用点的变化都可导致各应变电桥输出信号的大小或比例的变化，通过对信号大小或比例的变化的采集数值即可求出力和力矩的量值或增量。天平输出计算公式为下：（：应变灵敏度系数；：供桥电压；：应变）。

2.3 天平静态校准与载荷-应变模型

天平研制完成后，需要在专用台架上进行静态校准，并记录校准载荷与应变输出之间的关系，再通过数据处理得到天平的载荷方程。天平静态校准后的载荷-应变公式如下：

上式中，天平各分量信号与各桥输出信号之间的关系见表1。

天平计算公式使用时进行迭代，其中主项不参与迭代，干扰项迭代7次。天平计算公式中为天平使用中心距天平上板的距离。天平计算公式中迭代项数值大于零时，计算用上方系数；天平计算公式中迭代项数值小于零时，计算用下方系数；无上下系数的迭代项直接用原系数。

3 应用验证

3.1 飞机起落架载荷测量原理

飞机起落架在实际使用中承受的载荷是典型的空间合力系，将此力系进行正交分解，可以分解成航向载荷（PX）、垂向载荷（PY）、侧向载荷（PZ）及扭矩载荷（MY）。这些载荷的作用，使起落架结构产生变形，正常受载时其应力都在弹性范围内，则起落架载荷校准问题就属于线性模型问题。为了测量这些载荷，在被测起落架结构的某些部位粘贴应变计，并按一定的方式组成应变电桥，通过地面校准试验模拟起落架的实际受载方式进行试验加载，得到载荷与应变输出的试验数据，再通过多元线性回归等数学方法对试验数据进行处理，即可得到载荷与应变的关系式，即载荷方程。飞行试验中，将实测得到的应变数据代入载荷方程，即可得到起落架实测载荷。

3.2 采用“六分量校准应变天平”进行起落架载荷校准试验

试验时可模拟真实受载情况对起落架进行试验加载，通过“天平”可直接测量起落架轮胎接地点的航向（PX）、侧向（PZ）、垂向（PY）3向载荷和垂向扭矩（MY）。最后通过多元线形回归得出起落架外载荷与起落架关键部位应变电桥之间的关系模型，即载荷方程。某型飞机起落架载荷校准试验见图3、4。

3.3 试飞验证

根据校准试验数据利用多元回归分析方法建立起落架三向载荷方程。图5和图6分别给出了该型机左主起落架实测的起飞和着陆撞击过程中的三向载荷及缓冲器支柱压缩量时间历程。从图中可以看出，起飞过程中起落架三向载荷从一定值逐渐衰减，到A点载荷全部降为0，A点即是起落架完全离地点。同时在起飞过程中，缓冲器支柱压缩量则由最大值逐渐减小，至起飞点完全为0。着陆过程则正好相反，起落架三向载荷从0开始增加，对航向载荷，可以明显看出起转、回弹载荷，缓冲器支柱行程由0压缩状态开始压缩。着陆过程中三向载荷及缓冲器压缩量又回到0，是因为飞机有一次弹跳的过程。

4 结语

利用六分量飞机起落架载荷校准应变天平直接在飞机上进行起落架载荷校准，不需要拆装起落架和起落架专用固定夹具，大大降低了试验成本，缩短了试验周期，最重要的是，用这种方法实施起落架校准试验，起落架与飞机的连接真实，大大提高了试验精度，从而保证了实测载荷精度。多种型号飞机起落架载荷测量使用结果表明该方法时是有效可行的。

参考文献：

[1]МЛ克利亚奇科（苏）著，汤吉晨译.飞机强度飞试验（静载荷）.西安：航空航天部《ASST》系统工程办公室，1992.23～26）.

[2]贺德馨《风洞天平》国防工业出版社2001.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室《理论力学》高等教育出版社1993.

[4]刘鸿文《材料力学》高等教育出版社1986.

[5]李庆杨，关治，白峰杉等数值计算原理[M].北京：清华大学出版社，2000.

[7]方开泰，全辉.陈庆云《实用回归分析》科学出版社1988.endprint

【摘 要】 地面校准试验是采用应变法测量飞机起落架使用载荷的关键。以往的起落架载荷校准试验是将起落架从飞机上拆下来，固定在专门研制的夹具上实施。受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启示，我们研制了专门用于起落架载荷校准试验的六分量应变天平，实现了飞机起落架与机体真实连接状态下载荷校准，模拟了起落架真实使用状态下的受载情况，提高了试验精度，缩短了试验周期，节省了试验成本。

【关键词】 飞机起落架 载荷 六分量应变天平 应用验证

1 引言

飞机起落架在起飞、着陆过程中受到的外载荷是飞机结构设计中重要的设计参数。用应变法测量起落架的使用载荷，需要对起落架实施地面载荷校准试验。过去起落架载荷校准试验一直沿用将起落架从飞机上拆下来，固定在专门设计的夹具上进行加载试验，试验完成后再将起落架安装到飞机上进行飞行实测。这种方法要拆、装起落架，还要求专门的起落架固定和加载设施，试验成本高、周期长。其最大的缺陷是，在加载试验中起落架与专用夹具的连接无法模拟起落架与飞机连接的真实刚度，从而使试验与飞行实测中起落架的固定状态不完全一致，产生无法定量预计的测量误差。

受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启发，我们设计研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平（以下简称天平），通过该天平，可在飞机真实停放状态下进行起落架载荷校准试验。

2 六分量起落架载荷校准应变天平研制

在分析研究飞机起落架受载特点及载荷校准试验需求的基础上，结合风洞测力天平，研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平。

2.1 主要技术指标

a）设计载荷：航向（PX）：±100KN，垂向（PY）：150KN，侧向（PZ）±80KN：，扭矩（My）：±20KN·m；

b）结构尺寸：1400mm（长）×1100mm（宽）×300mm（高）；

c）精准度：测量精度（重复性）应优于0.3%，测量准度应优于1.5%；

d）天平上表面与轮胎接触部分摩擦系数不小于0.7。

2.2 天平结构及测试原理

由于天平设计载荷较大，结构尤其高度要求较小，故选用多元测力传感器作为敏感元件来降低平台高度。天平由上连接板、3台成正三角形布置的固定在上连接板与下连接板之间多元测力传感器、下连接板组成，通过上连接板将作用在起落架上的载荷传递到3个测力传感器上，每个测力传感器可测出三维正交力，通过求解，可得到作用在起落架上的六个分量的载荷。当加载杆对天平下连接板施加载荷时，平台上部天平和天平底座之间产生相对滑动，同时带动固定天平上表面的起落架产生变形，并对变形的反作用力进行测量。天平上表面与轮胎接触部分采用专用摩擦垫板增大摩擦力。天平结构见图1。天平受力简图见图2。

天平静力平衡矩阵如下：

=

式中：PX、PY、PZ、MY飞机起落架被测得航向、垂向、侧向载荷及垂向扭矩；

L1、L2为起落架载荷校准应变天平3个多元传感器间距（如图2）；

PX1、PX2、PX3、PY1、PY2、PY3、PZ1、PZ2、PZ3为图2中所示的3个多元力传感器与坐标方向相同的3个力。

天平上的3台多元测力传感器每台布置3个通道的应变电桥，总计9个应变电桥。作用在天平上载荷的大小、方向和作用点的变化都可导致各应变电桥输出信号的大小或比例的变化，通过对信号大小或比例的变化的采集数值即可求出力和力矩的量值或增量。天平输出计算公式为下：（：应变灵敏度系数；：供桥电压；：应变）。

2.3 天平静态校准与载荷-应变模型

天平研制完成后，需要在专用台架上进行静态校准，并记录校准载荷与应变输出之间的关系，再通过数据处理得到天平的载荷方程。天平静态校准后的载荷-应变公式如下：

上式中，天平各分量信号与各桥输出信号之间的关系见表1。

天平计算公式使用时进行迭代，其中主项不参与迭代，干扰项迭代7次。天平计算公式中为天平使用中心距天平上板的距离。天平计算公式中迭代项数值大于零时，计算用上方系数；天平计算公式中迭代项数值小于零时，计算用下方系数；无上下系数的迭代项直接用原系数。

3 应用验证

3.1 飞机起落架载荷测量原理

飞机起落架在实际使用中承受的载荷是典型的空间合力系，将此力系进行正交分解，可以分解成航向载荷（PX）、垂向载荷（PY）、侧向载荷（PZ）及扭矩载荷（MY）。这些载荷的作用，使起落架结构产生变形，正常受载时其应力都在弹性范围内，则起落架载荷校准问题就属于线性模型问题。为了测量这些载荷，在被测起落架结构的某些部位粘贴应变计，并按一定的方式组成应变电桥，通过地面校准试验模拟起落架的实际受载方式进行试验加载，得到载荷与应变输出的试验数据，再通过多元线性回归等数学方法对试验数据进行处理，即可得到载荷与应变的关系式，即载荷方程。飞行试验中，将实测得到的应变数据代入载荷方程，即可得到起落架实测载荷。

3.2 采用“六分量校准应变天平”进行起落架载荷校准试验

试验时可模拟真实受载情况对起落架进行试验加载，通过“天平”可直接测量起落架轮胎接地点的航向（PX）、侧向（PZ）、垂向（PY）3向载荷和垂向扭矩（MY）。最后通过多元线形回归得出起落架外载荷与起落架关键部位应变电桥之间的关系模型，即载荷方程。某型飞机起落架载荷校准试验见图3、4。

3.3 试飞验证

根据校准试验数据利用多元回归分析方法建立起落架三向载荷方程。图5和图6分别给出了该型机左主起落架实测的起飞和着陆撞击过程中的三向载荷及缓冲器支柱压缩量时间历程。从图中可以看出，起飞过程中起落架三向载荷从一定值逐渐衰减，到A点载荷全部降为0，A点即是起落架完全离地点。同时在起飞过程中，缓冲器支柱压缩量则由最大值逐渐减小，至起飞点完全为0。着陆过程则正好相反，起落架三向载荷从0开始增加，对航向载荷，可以明显看出起转、回弹载荷，缓冲器支柱行程由0压缩状态开始压缩。着陆过程中三向载荷及缓冲器压缩量又回到0，是因为飞机有一次弹跳的过程。

4 结语

利用六分量飞机起落架载荷校准应变天平直接在飞机上进行起落架载荷校准，不需要拆装起落架和起落架专用固定夹具，大大降低了试验成本，缩短了试验周期，最重要的是，用这种方法实施起落架校准试验，起落架与飞机的连接真实，大大提高了试验精度，从而保证了实测载荷精度。多种型号飞机起落架载荷测量使用结果表明该方法时是有效可行的。

参考文献：

[1]МЛ克利亚奇科（苏）著，汤吉晨译.飞机强度飞试验（静载荷）.西安：航空航天部《ASST》系统工程办公室，1992.23～26）.

[2]贺德馨《风洞天平》国防工业出版社2001.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室《理论力学》高等教育出版社1993.

[4]刘鸿文《材料力学》高等教育出版社1986.

[5]李庆杨，关治，白峰杉等数值计算原理[M].北京：清华大学出版社，2000.

[7]方开泰，全辉.陈庆云《实用回归分析》科学出版社1988.endprint

【摘 要】 地面校准试验是采用应变法测量飞机起落架使用载荷的关键。以往的起落架载荷校准试验是将起落架从飞机上拆下来，固定在专门研制的夹具上实施。受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启示，我们研制了专门用于起落架载荷校准试验的六分量应变天平，实现了飞机起落架与机体真实连接状态下载荷校准，模拟了起落架真实使用状态下的受载情况，提高了试验精度，缩短了试验周期，节省了试验成本。

【关键词】 飞机起落架 载荷 六分量应变天平 应用验证

1 引言

飞机起落架在起飞、着陆过程中受到的外载荷是飞机结构设计中重要的设计参数。用应变法测量起落架的使用载荷，需要对起落架实施地面载荷校准试验。过去起落架载荷校准试验一直沿用将起落架从飞机上拆下来，固定在专门设计的夹具上进行加载试验，试验完成后再将起落架安装到飞机上进行飞行实测。这种方法要拆、装起落架，还要求专门的起落架固定和加载设施，试验成本高、周期长。其最大的缺陷是，在加载试验中起落架与专用夹具的连接无法模拟起落架与飞机连接的真实刚度，从而使试验与飞行实测中起落架的固定状态不完全一致，产生无法定量预计的测量误差。

受飞机模型在风洞吹风中采用的六分量应变天平启发，我们设计研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平（以下简称天平），通过该天平，可在飞机真实停放状态下进行起落架载荷校准试验。

2 六分量起落架载荷校准应变天平研制

在分析研究飞机起落架受载特点及载荷校准试验需求的基础上，结合风洞测力天平，研制了六分量飞机起落架载荷校准应变天平。

2.1 主要技术指标

a）设计载荷：航向（PX）：±100KN，垂向（PY）：150KN，侧向（PZ）±80KN：，扭矩（My）：±20KN·m；

b）结构尺寸：1400mm（长）×1100mm（宽）×300mm（高）；

c）精准度：测量精度（重复性）应优于0.3%，测量准度应优于1.5%；

d）天平上表面与轮胎接触部分摩擦系数不小于0.7。

2.2 天平结构及测试原理

由于天平设计载荷较大，结构尤其高度要求较小，故选用多元测力传感器作为敏感元件来降低平台高度。天平由上连接板、3台成正三角形布置的固定在上连接板与下连接板之间多元测力传感器、下连接板组成，通过上连接板将作用在起落架上的载荷传递到3个测力传感器上，每个测力传感器可测出三维正交力，通过求解，可得到作用在起落架上的六个分量的载荷。当加载杆对天平下连接板施加载荷时，平台上部天平和天平底座之间产生相对滑动，同时带动固定天平上表面的起落架产生变形，并对变形的反作用力进行测量。天平上表面与轮胎接触部分采用专用摩擦垫板增大摩擦力。天平结构见图1。天平受力简图见图2。

天平静力平衡矩阵如下：

=

式中：PX、PY、PZ、MY飞机起落架被测得航向、垂向、侧向载荷及垂向扭矩；

L1、L2为起落架载荷校准应变天平3个多元传感器间距（如图2）；

PX1、PX2、PX3、PY1、PY2、PY3、PZ1、PZ2、PZ3为图2中所示的3个多元力传感器与坐标方向相同的3个力。

天平上的3台多元测力传感器每台布置3个通道的应变电桥，总计9个应变电桥。作用在天平上载荷的大小、方向和作用点的变化都可导致各应变电桥输出信号的大小或比例的变化，通过对信号大小或比例的变化的采集数值即可求出力和力矩的量值或增量。天平输出计算公式为下：（：应变灵敏度系数；：供桥电压；：应变）。

2.3 天平静态校准与载荷-应变模型

天平研制完成后，需要在专用台架上进行静态校准，并记录校准载荷与应变输出之间的关系，再通过数据处理得到天平的载荷方程。天平静态校准后的载荷-应变公式如下：

上式中，天平各分量信号与各桥输出信号之间的关系见表1。

天平计算公式使用时进行迭代，其中主项不参与迭代，干扰项迭代7次。天平计算公式中为天平使用中心距天平上板的距离。天平计算公式中迭代项数值大于零时，计算用上方系数；天平计算公式中迭代项数值小于零时，计算用下方系数；无上下系数的迭代项直接用原系数。

3 应用验证

3.1 飞机起落架载荷测量原理

飞机起落架在实际使用中承受的载荷是典型的空间合力系，将此力系进行正交分解，可以分解成航向载荷（PX）、垂向载荷（PY）、侧向载荷（PZ）及扭矩载荷（MY）。这些载荷的作用，使起落架结构产生变形，正常受载时其应力都在弹性范围内，则起落架载荷校准问题就属于线性模型问题。为了测量这些载荷，在被测起落架结构的某些部位粘贴应变计，并按一定的方式组成应变电桥，通过地面校准试验模拟起落架的实际受载方式进行试验加载，得到载荷与应变输出的试验数据，再通过多元线性回归等数学方法对试验数据进行处理，即可得到载荷与应变的关系式，即载荷方程。飞行试验中，将实测得到的应变数据代入载荷方程，即可得到起落架实测载荷。

3.2 采用“六分量校准应变天平”进行起落架载荷校准试验

试验时可模拟真实受载情况对起落架进行试验加载，通过“天平”可直接测量起落架轮胎接地点的航向（PX）、侧向（PZ）、垂向（PY）3向载荷和垂向扭矩（MY）。最后通过多元线形回归得出起落架外载荷与起落架关键部位应变电桥之间的关系模型，即载荷方程。某型飞机起落架载荷校准试验见图3、4。

3.3 试飞验证

根据校准试验数据利用多元回归分析方法建立起落架三向载荷方程。图5和图6分别给出了该型机左主起落架实测的起飞和着陆撞击过程中的三向载荷及缓冲器支柱压缩量时间历程。从图中可以看出，起飞过程中起落架三向载荷从一定值逐渐衰减，到A点载荷全部降为0，A点即是起落架完全离地点。同时在起飞过程中，缓冲器支柱压缩量则由最大值逐渐减小，至起飞点完全为0。着陆过程则正好相反，起落架三向载荷从0开始增加，对航向载荷，可以明显看出起转、回弹载荷，缓冲器支柱行程由0压缩状态开始压缩。着陆过程中三向载荷及缓冲器压缩量又回到0，是因为飞机有一次弹跳的过程。

4 结语

利用六分量飞机起落架载荷校准应变天平直接在飞机上进行起落架载荷校准，不需要拆装起落架和起落架专用固定夹具，大大降低了试验成本，缩短了试验周期，最重要的是，用这种方法实施起落架校准试验，起落架与飞机的连接真实，大大提高了试验精度，从而保证了实测载荷精度。多种型号飞机起落架载荷测量使用结果表明该方法时是有效可行的。

参考文献：

[1]МЛ克利亚奇科（苏）著，汤吉晨译.飞机强度飞试验（静载荷）.西安：航空航天部《ASST》系统工程办公室，1992.23～26）.

[2]贺德馨《风洞天平》国防工业出版社2001.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室《理论力学》高等教育出版社1993.

[4]刘鸿文《材料力学》高等教育出版社1986.

[5]李庆杨，关治，白峰杉等数值计算原理[M].北京：清华大学出版社，2000.

[7]方开泰，全辉.陈庆云《实用回归分析》科学出版社1988.endprint