國(guó)外旋翼槳葉彈性變形測(cè)量方法綜述

孟 微，趙國(guó)宏

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引言

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，直升機(jī)旋翼設(shè)計(jì)有了很多新的變化。20世紀(jì)60年代開始，無(wú)鉸旋翼和無(wú)軸承旋翼的陸續(xù)出現(xiàn)提高了旋翼的性能，進(jìn)而提升了直升機(jī)的綜合性能。這些新型旋翼的誕生在帶來(lái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來(lái)了復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。傳統(tǒng)的直升機(jī)采用鉸接式槳轂，槳葉在揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)方向的彈性耦合很小，從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就在于用現(xiàn)有理論可以很好地計(jì)算出它的動(dòng)力學(xué)性能。新型旋翼無(wú)鉸、無(wú)軸承的特性則會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的非線性揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的耦合問(wèn)題。旋翼動(dòng)力學(xué)性能對(duì)這些耦合運(yùn)動(dòng)都極為敏感，因此在計(jì)算其動(dòng)力學(xué)性能時(shí)，必須重新考慮這些問(wèn)題。

利用旋轉(zhuǎn)槳葉模型準(zhǔn)確地測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證槳葉模型理論的適用性與可靠性在國(guó)外已開展多年并日趨成熟。本文就國(guó)外已有的旋翼槳葉彈性變形測(cè)量方法作簡(jiǎn)單的介紹，綜合對(duì)比分析各方法的優(yōu)劣。

1 光學(xué)測(cè)量方法

槳葉彈性變形測(cè)量方法大致分為兩類，即光學(xué)測(cè)量方法和傳感器測(cè)量法。光學(xué)測(cè)量方法在測(cè)試領(lǐng)域是目前較為熱門的研究，是隨著激光、電子等技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前來(lái)講是較為先進(jìn)的技術(shù)。光學(xué)測(cè)量方法的特點(diǎn)是針對(duì)槳葉彈性變形的測(cè)量，使用光學(xué)儀器，不接觸測(cè)試件，且測(cè)試獲得的結(jié)果即為位移變化量，無(wú)需進(jìn)行大量復(fù)雜的間接轉(zhuǎn)換。光學(xué)測(cè)量方法主要有：光柵照相法、立體圖像識(shí)別法和立體圖像識(shí)別改進(jìn)法。

1.1 光柵照相法(FCM)

光柵照相法，non-intrusive optical fringe correlation method，簡(jiǎn)稱FCM方法，又稱為projected grid method，PGM方法[1]，該方法可以得到槳葉揮舞角和扭轉(zhuǎn)角結(jié)果，但無(wú)法得到擺振角。首先在旋轉(zhuǎn)中心與槳轂中心(坐標(biāo)原點(diǎn))相重合的地面水平轉(zhuǎn)臺(tái)兩端分別安裝光柵投影儀和照相機(jī)，安裝角度要求保證光柵和拍攝范圍覆蓋全部槳葉，且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持不變。試驗(yàn)時(shí)用光柵投影儀對(duì)整個(gè)槳葉表面投射光柵，然后由照相機(jī)拍攝下光柵變化。投影儀與Z軸的夾角為β，照相機(jī)與Z軸的夾角為α，由此可以得出揮舞方向位移(deflection)與光柵Y方向變形量(image displacement)的幾何關(guān)系(見公式1)。再根據(jù)槳葉不同半徑處的位移變化結(jié)果可以得出其揮舞角。槳葉扭轉(zhuǎn)角可直接根據(jù)其與光柵X方向夾角的幾何關(guān)系確定。

(1)

1.2 立體圖像識(shí)別法(SPR)

立體圖像識(shí)別法(stereo pattern recognition，簡(jiǎn)稱SPR)是通過(guò)測(cè)量沿槳葉展向分布的各點(diǎn)在揮舞、擺振方向的位移量，從而獲得槳葉揮舞角、擺振角及槳葉彈性變形產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角的方法。具體原理是用照相機(jī)分別拍攝裝有反光標(biāo)記的槳葉在靜止?fàn)顟B(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的照片，將兩狀態(tài)下的照片對(duì)比獲得每一個(gè)固定反光點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系X、Y方向的變化量，再根據(jù)X、Y方向變化量與槳葉揮舞、擺振位移的幾何關(guān)系(公式1)確定沿槳葉展向各點(diǎn)的揮舞、擺振位移，最終獲得揮舞角和擺振角。槳葉彈性扭轉(zhuǎn)角則是通過(guò)某一展向位置處前后緣兩點(diǎn)在Z方向的位移差值求出扭轉(zhuǎn)角，再減去槳葉根部的扭轉(zhuǎn)角和槳葉預(yù)扭角即為其彈性扭轉(zhuǎn)角，該方法的最大誤差為0.52°。

在文獻(xiàn)[2][3]HARTⅡ槳葉運(yùn)動(dòng)測(cè)量的試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺(tái)下方以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)原點(diǎn)(槳轂中心)為中心的同一半徑下分布四臺(tái)照相機(jī)，一對(duì)用于拍攝槳盤前行邊，另一對(duì)拍攝槳盤后行邊。分別在方位角90°和135°位置處安裝兩臺(tái)槳尖偵測(cè)照相機(jī)(BTD)，用來(lái)確定槳尖在水平、垂直方向的位移變化。試驗(yàn)前，將槳葉下表面涂黑并安裝白色反光標(biāo)記，反光標(biāo)記沿展向平均分布在槳葉前緣(0.228弦長(zhǎng))、后緣(0.993弦長(zhǎng))兩排，每排18個(gè)。試驗(yàn)時(shí)每臺(tái)相機(jī)在每個(gè)狀態(tài)拍攝50至100幅照片，最終結(jié)果為所得數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 立體圖像識(shí)別改進(jìn)法(照相測(cè)量法)

照相測(cè)量法是為了提高測(cè)量精度在原有的SPR的方法上進(jìn)行了改進(jìn)，以獲得更高精度的槳葉揮舞角、擺振角及彈性扭轉(zhuǎn)角的方法。較原方法不僅增加了槳葉上的反光標(biāo)記，而且在試驗(yàn)風(fēng)洞壁上按方陣高密度地安裝了大量的反光標(biāo)記，并增加了照相機(jī)的數(shù)量(8臺(tái))。測(cè)量結(jié)果不再是以槳轂中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的結(jié)果，而是在固定方陣坐標(biāo)系中的，從而避免了因坐標(biāo)系原點(diǎn)不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差。試驗(yàn)照片的測(cè)量結(jié)果與揮舞、擺振位移的轉(zhuǎn)換即為固定方陣坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。所以需要在旋翼槳轂上做反光標(biāo)記以確定其在固定方陣中的位置。在UH-60旋翼系統(tǒng)全尺寸槳葉測(cè)量試驗(yàn)中，采用的就是該方法[4]。

照相測(cè)量法的具體原理是：首先明確旋翼軸在風(fēng)洞壁上光標(biāo)方陣中的位置，確定其前傾角；然后將風(fēng)洞中的光標(biāo)和槳葉上的光標(biāo)位置用非線性最小方差擬合的方法估算出在零相位時(shí)槳葉在固定方陣坐標(biāo)系中(XYZ)的位置；槳葉的扭轉(zhuǎn)角將被投影到繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，揮舞角被投影到繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，擺振角投影到排除前傾角后的繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 傳感器測(cè)量方法

傳感器測(cè)量方法是比較傳統(tǒng)的測(cè)試方法，它的特點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，但測(cè)量獲得的信號(hào)需通過(guò)事先建立好的模型關(guān)系計(jì)算方可得到所需結(jié)果。該方法應(yīng)用較早，于20世紀(jì)70年代由RAE(皇家航空中心)在測(cè)量旋轉(zhuǎn)槳葉的振動(dòng)模態(tài)時(shí)建立并發(fā)展起來(lái)，在旋翼槳葉變形測(cè)量中有著不可替代的作用。在長(zhǎng)期的試驗(yàn)應(yīng)用中，該類方法日趨成熟，已經(jīng)在許多不同的試驗(yàn)測(cè)量中得到成功的運(yùn)用。該類方法主要有kinematical方法和傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量方法。

2.1 kinematical方法

kinematical方法[5]是一種理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，該方法通過(guò)將傳感器測(cè)量的線性位移或角位移信號(hào)用kinematical方法處理，即利用鉸的幾何矩陣與測(cè)量系統(tǒng)得到一種變換關(guān)系，計(jì)算出所需的槳葉揮舞、擺振、扭轉(zhuǎn)角。其中擺振、揮舞、扭轉(zhuǎn)角與傳感器線位移與角位移的關(guān)系表達(dá)式為kinematical方程。該方法比較成熟，已經(jīng)在許多不同的飛機(jī)上得到成功運(yùn)用。

該方法是把其他位移變化(傳感器可以簡(jiǎn)單測(cè)量得到)應(yīng)用合適的運(yùn)算法則換算成角位移，從而取代直接測(cè)量三個(gè)方向的角位移。通過(guò)傳感器線位移與角位移求出擺振、揮舞、扭轉(zhuǎn)角，并將該矩陣求逆得到用該矩陣表達(dá)的關(guān)系式，即kinematical方程，其最大優(yōu)點(diǎn)是大大減少了傳感器的安裝數(shù)量，有些地方甚至可以達(dá)到僅安裝一個(gè)傳感器便可完成測(cè)試的效果。其關(guān)鍵在于槳轂和槳葉上位移傳感器安裝位置的合理性。

2.2 應(yīng)變電測(cè)法

應(yīng)變電測(cè)量方法(簡(jiǎn)稱SPA技術(shù))是20世紀(jì)70、80年代由RAE[1-3]皇家航空研究中心發(fā)展的一套方法，是旋翼槳葉變形測(cè)量中最早使用的方法，同時(shí)也是目前力學(xué)試驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的、最為簡(jiǎn)單的電阻應(yīng)變測(cè)試法。

(2)

如果第二個(gè)要求也成立，那么應(yīng)變響應(yīng)也可表示為：

(3)

(4)

(5)

其中D是δ1，δ2，δ3，……δp的(nxp)矩陣。

總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)變片的數(shù)量和分布是由所要測(cè)量的位移量的復(fù)雜程度決定的，比如測(cè)量旋翼槳葉的低階模態(tài)時(shí)所需要的應(yīng)變片數(shù)量就比測(cè)量高階時(shí)少?？紤]到噪聲限制，應(yīng)變響應(yīng)的數(shù)量r和所需測(cè)量位移點(diǎn)的數(shù)量n要大致相同，應(yīng)變片的分布也要大致沿著槳葉結(jié)構(gòu)分布。

3 綜合比較

通過(guò)前面對(duì)各種方法的詳細(xì)介紹，綜合分析兩大類槳葉彈性變形的測(cè)量方法，文中所闡述的光柵照相法、立體圖像識(shí)別法和立體圖像識(shí)別改進(jìn)法等光學(xué)方法，如果沒(méi)有足夠復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備，往往不能保證測(cè)量精度，也不適合于確定相位關(guān)系，而且試驗(yàn)成本較高。

雖然SPA技術(shù)是早期發(fā)展起來(lái)的，但相比傳感器測(cè)量方法里各種不同的位移傳感器，應(yīng)變片更容易安裝在槳葉上。其最大優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量小，低成本，不需要相位特征；缺點(diǎn)是由于槳葉的揮舞、扭轉(zhuǎn)耦合問(wèn)題及應(yīng)變片在槳葉上布置粘貼問(wèn)題，很難保證復(fù)雜外形槳葉的測(cè)量精度，例如有后掠尖削的ERATO[1]槳葉。各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 各種方法的綜合比較

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，目前的旋翼槳葉彈性變形測(cè)量方法中，并沒(méi)有哪一種方法可以取代其他方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)較為頻繁和常規(guī)的試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，考慮到應(yīng)變片成本和微小加速計(jì)及其他方法成本的比較，在直升機(jī)旋翼槳葉的懸停及風(fēng)洞振動(dòng)模型測(cè)量中，SPA技術(shù)仍是目前最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用且最常采用的方法。

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