风洞分布式支撑天平测力试验技术研究

采用双尾支撑测量形式的加工、装配误差会使系统内应力过大,影响测量精度。针对某“双机身”飞机CTS 风洞试验气动力测量需求,发展基于多维力天平内置的风洞分布式支撑天平测力试验技术;研制具有消除系统内应力功能的双支撑系统,提出两种6 分量双支撑天平校准及测力方法,并对数据处理和双支撑系统可靠性进行检验加载、对比分析和验证。结果表明：风洞分布式支撑天平测力试验技术能够有效消除双支撑天平系统由于过约束而导致的固有装配内应力,双支撑天平系统各部分连接、测量可靠;两种校准测力方法测量精度相当,均能达到单台应变天平测量误差水平,可满足风洞试验测量精度需求;综合考虑现有校准设备校准能力,最终采用“合成式校准测力”方法进行的风洞试验,获得了满意的试验测力精度。     

航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计

为了满足航空发动机推力矢量高精度测量的需求,研制了一种结构紧凑的能够实现推力矢量彻底分解的六分量盒式天平.该天平关键结构包括:三维传感器、固定框和浮动框.其中三维传感器的弹性体采用串、并联组合的结构型式.基于有限元分析,对传感器弹性体的设计进行了模拟,结果显示传感器各测力元件对本分量载荷作用敏感程度均远高于其他分量,支撑元件也较好地阻隔了各测力元件之间的相互干扰,该结论也通过了传感器的校准验证.六分量盒式天平整体的刚度和模态分析结果:天平无需做弹性角修正;1阶固有频率为218.8Hz,高于设计指标180Hz.六分量盒式天平校准表明:天平各分量精确度优于3‰,准确度优于5‰.      

腹支天平的研制

为满足某工程高速风洞测力试验的需要，研制了一台腹支(φ44mm)六分量内式应变天平，以测量飞机的气动载荷。试验结果表明：天平设计合理，天平及其支撑系统刚度好，天平各元测量精度高。     

小尺寸应变天平设计方法研究

Φ0.3m高超声速低密度风洞测力试验模型尺寸小、天平载荷小、流场总温高,天平防热结构设计难,刚度要求和灵敏度要求矛盾突出,测力天平的研制难度大。采用数值仿真和风洞试验相结合的研究方法,对应用于该情况下的内式天平在温度影响和结构设计方面进行了研究。采用有限元方法对天平温度影响和结构应力分布做了详细分析,并对分析结果进行了风洞试验验证。结果表明：在实现天平结构优化设计及提高天平设计的准确性和可靠性方面,有限元分析设计方法是非常有效的技术途径。     

波形环式弹性支座刚度的测试与数值模拟

进行了波形环式弹性支座刚度数值模拟研究,推导了波形环支承刚度与其离散弧段刚度之间的关联式,建立了环弧段刚度分析模型,用有限元分析程序“APOLANS”计算了环弧段的载荷-位移场静力问题。与原有分析方法相比,精度有显着的提高,相当接近测试刚度,起到了理论分析与测试数据相互校验的作用,并为波形环式弹性支座刚度设计提供了可靠的理论依据。      

矢量喷管六分量测力试验台的研制

为用于矢量喷管试验而研制的新型六分量天平试验台选择台式天平作为测力平设计方案，对称全弹性波纹管作为连接试验台和固定管道的引气管道，采用地轴单元校和地轴多元获取天平工作公式，并采用试验修正消除波纹管的影响，根据天平静校和标准收敛喷管的动校检验，该天平性能达到了设计要求，说明天平的研制是成功的。     

用内式六分量应变天平实测导弹挂飞载荷

 本文研究了导弹挂飞载荷的飞行实测技术。研制了两套由导弹模拟壳体和内式六分量应变天平组成的测力系统,在进行多项飞行环境适应性、安全性、测试功能性地面试验后,将其左右对称安装在载机截尖三角形翼下,在国内首次对三挂点、大长细比导弹的挂飞载荷进行了飞行实测,试验结果可信可靠。采用与实弹相同的挂装连接方式模拟壳体气动外形和几何尺寸,采用框式双天平一体结构、集中传力、天平校心与测力系统质心重合以及测力系统整体校准等,实现对导弹质心处航向、侧向和法向3个方向上力和力矩的直接测量,测量不确定度小于5%。为导弹挂飞载荷的安全、精准实测提供了一种重要技术途径。     

高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0．7％以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma＝5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

单模块超燃发动机推力测量天平研制

介绍了用于单模块超燃发动机推力测量的力传感器单分量天平的研制、应用,通过脉冲燃烧风洞和长时间风洞试验,天平/模型/支撑系统频率为20 Hz,在脉冲燃烧风洞有效试验时间内(约300 ms)可获得较为稳定的测力信号,基本满足脉冲燃烧风洞单模块发动机测力要求.在相同试验条件下,脉冲燃烧风洞和长时间风洞获得了相同的发动机推力收益,验证了天平测量数据的准确性.      

套筒式张线天平的研制

根据民机张线测力试验的特殊要求,研制了一台套筒结构形式的张线天平。详细介绍了该天平在研制中遇到的难点、关键技术的解决措施以及研制的结果。天平元件布置在58mm的外套筒上,内杆直径为44mm,外套筒和内杆通过楔块焊接在一起。法向力、俯仰力矩和滚转力矩为拉压变形,横向力和偏航力矩为＂S＂形变形,轴向力为弯曲变形,元件支撑部分受拉压变形且刚度较强。通过对天平进行有限元分析,在法向力和俯仰力矩作用下,得出的应变结果与实际输出基本吻合。风洞试验结果表明：天平设计合理,天平外套筒、内杆及张线支撑系统刚度好,天平各分量测量精度高。     

全尺寸栅格舵铰链力矩天平研制

为准确获取带控制系统全尺寸栅格舵的静、动态铰链力矩数据,分析舵控系统性能,需要研制强度、刚度、灵敏度及抗电磁干扰能力均符合试验要求的风洞侧壁支撑天平。栅格舵法向力大,铰链力矩小,且试验平台限制了天平结构的长度,导致天平在载荷匹配与元件布置方面有较大难度。通过有限元分析技术优化天平结构,在适量放大铰链力矩载荷设计指标的基础上,采用法兰盘代替传统的锥连接,天平各元件串联布局等手段,成功研制出了满足试验要求的天平。试验结果显示,模型静、动态试验数据规律良好,天平的动态响应能力及对小量铰链力矩的测量满足试验需求。     

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

矢量喷管推力特性的风洞试验技术

该试验技术的研究包括喷流模拟器的研制、地面校准系统的研制、喷管天平数据修正方法研究以及风洞验证试验。研制的喷流模拟器内置喷管推力测量天平,设计了地面推力特性试验校准架,建立了地面试验系统。分析了影响喷管天平测量结果的附加刚度效应、压力效应和流动效应3个主要因素,通过地面校准架建立了相应的测量数据修正方法。针对特定喷管,开展了0°、5°、10°和15°四个偏转角度的喷管,在不同落压比下的推力和矢量角地面验证试验研究。进一步将喷流模拟器和喷管安装在模型上,在中国空气动力研究与发展中心的8m×6m低速风洞开展了落压比为3时的模型纵向气动特性试验研究。研究结果表明:以喷流模拟器为核心的喷管推力特性试验技术能够在地面和风洞试验中有效测量矢量喷管的推力大小、矢量角大小和对飞行器气动特性的影响量。从测量结果来看,落压比为2时,有效推力偏角最大,实际偏角为10°时的有效偏角可以增加3°。喷管偏转10°时,推力对模型的气动力影响最大,其中升力系数可以增加0.066。      

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

碰摩约束下柔性转子模态特性及其计算方法

以航空发动机低压（LP）转子为代表的柔性转子,通常具有两端大质量、细长轴和长跨度支承的"弱刚度"结构力学特征,这使得碰摩产生的约束作用不可忽视,其将会导致柔性转子模态特性改变,进而造成临界转速等动力学目标偏于设计状态。本文以典型航空发动机低压柔性转子为对象,结合梁单元法提出了此类复杂转子在碰摩约束下的动力学建模方法;将谐波平衡思想与频域的自由度缩减技术结合,提出了相适用的非线性模态求解方法;在此之上基于ANSYS和MATLAB平台,建立了含碰摩约束的复杂转子非线性模态分析的一般流程。将方法应用到某型柔性转子系统,成功获得其模态特性,结果表明：碰摩约束使转子模态频率增加,且随转子振幅增加而增加,尤其是对风扇碰摩较为敏感的一阶弯曲模态,正/反进动模态频率变化率可达16%和29%,但模态频率的变化始终在特定区间内;碰摩对转子模态频率的影响程度与陀螺效应、转子振型及机匣刚度密切相关,但对摩擦系数不敏感。由于接触点处摩擦力做功影响,柔性转子各阶反进动模态阻尼在碰摩严重时小于0,反进动模态能发生失稳。     

旋转天平试验预弯接头干扰研究

目前国内现有的旋转天平试验装置都是使用弧形弯轨的方式,为了获得较大的迎角范围,都采用了预弯接头的设计。小迎角下,预弯接头正好处于模型的尾流区内,预弯接头会对模型的气动力和气动力矩产生一定干扰。本文基于FD-09低速风洞旋转天平试验系统,采用将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的方法来开展预弯接头干扰试验研究。试验研究表明：在小迎角下,当预弯接头处于模型尾流区内时,预弯接头对模型纵向和横航向气动特性都有干扰;但是其干扰主要是引起气动特性曲线的平移,对旋转导数几乎没有影响。本文提出的将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的干扰修正方法非常简便,可以为旋转天平试验开展预弯接头干扰修正研究提供一种方便快捷的试验方法。     

涡轮缘板阻尼块摩擦接触特性研究

为了研究航空发动机涡轮缘板阻尼块的摩擦接触特性,减小涡轮叶片的振动,采用带圆角的平板接触理论模型进行数值模拟,推导接触面正压力及切向力的分布,研究接触模型的几何参数对迟滞曲线、切向刚度和能量耗散的影响规律。结果表明:接触面率为0时,存在最大能耗曲线和最大能耗点,并且随着接触面率的增大,迟滞曲线所围面积逐渐变小,每周期能量耗散逐渐减小;其他参数不变时,接触刚度随法向力的增大呈非线性增大。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

长拉杆-止口连接弯曲刚度损失及对转子系统振动响应影响

航空燃气轮机为了实现高负荷、轻质化的追求,在转子结构设计中,趋向于提高转速和加大长径比。这使得转子系统弯曲模态临界转速降低,转子在工作转速范围内不可避免会产生一定的弯曲变形。转子弯曲变形会影响连接结构界面接触特性的变化,使其连接结构局部弯曲刚度产生损失。因此,对于工作转速靠近弯曲临界的高速转子系统,需要考虑连接结构界面接触状态变化对转子系统振动特性的影响。以高负荷的长拉杆-止口连接转子系统为对象,分析连接界面接触应力分布特性,提出连接结构弯曲刚度损失修正方法,以此为基础建立界面连接转子动力学模型。通过对止口连接三级轴流压气机转子结构动力学特性的仿真和试验研究表明,在靠近弯曲振型临界转速下,转子连接界面接触状态的变化会产生弯曲刚度损失,对转子动力学特性具有显著影响。     

液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击效应

为研究液体火箭发动机尾焰对发射平台的冲击效应特性,建立液体火箭发动机尾焰对发射平台冲击数值计算模型.针对液氧/煤油发动机尾焰对发射平台冲击特性,基于建立模型研究了喷管出口距离平台3,5m工况下推进剂流量和复燃对冲击特性的影响,并分析了影响差异及其产生差异的原因.结果表明:尾焰自由射流区的激波膨胀、压缩距离和壁射流区面积随推进剂流量的增大而增大;考虑复燃化学反应不仅改变了自由射流区和滞止区的形状结构,而且增大了壁射流区的面积和温度;复燃和推进剂流量均是通过影响尾焰结构对冲击特性产生影响,具体影响效果与喷管出口和发射平台间距离有关.