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    發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與試車(chē)臺(tái)測(cè)量差異化分析

    2022-03-16 12:30:44張霞妹
    關(guān)鍵詞:試車(chē)剪力彎矩

    張 強(qiáng),張霞妹

    (中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所,西安 710089)

    發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-3]。在實(shí)際飛行條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力最終通過(guò)安裝節(jié)直接傳遞給飛機(jī),因此安裝節(jié)對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷和飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言具有重要的價(jià)值[4-6]。安裝節(jié)推力測(cè)量的原理就是在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)上布置應(yīng)變計(jì),在地面通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得推力-應(yīng)變校準(zhǔn)方程。飛行中將實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)代入到推力-應(yīng)變校準(zhǔn)方程中,即可獲得安裝節(jié)推力。該方法不依賴(lài)于發(fā)動(dòng)機(jī)模型,原理成熟,簡(jiǎn)單易行,成本低,特別適合在飛行試驗(yàn)中開(kāi)展。

    國(guó)外在安裝節(jié)推力測(cè)量方面比較成熟。美國(guó)先后在F-14和F-15飛機(jī)上開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。20世紀(jì)80年代,為評(píng)定F-14飛機(jī)艦上復(fù)飛的性能,以及大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)的機(jī)動(dòng)性,美國(guó)NASA、格魯門(mén)公司和海軍聯(lián)合開(kāi)展了一項(xiàng)研究工作,對(duì)TF30發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)推力進(jìn)行了直接測(cè)試飛行試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代,NASA又在其先進(jìn)飛行器高級(jí)控制技術(shù)(ACTIVE)項(xiàng)目中,針對(duì)安裝矢量噴管的F-15飛機(jī),對(duì)F110發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)推力進(jìn)行了飛行實(shí)測(cè)。國(guó)內(nèi),相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位在室內(nèi)試車(chē)臺(tái)開(kāi)展了發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量相關(guān)研究,但是未涉及安裝節(jié)的推力測(cè)量[7-9]?!笆弧の濉逼陂g,張強(qiáng)等[10]首次采用風(fēng)洞天平測(cè)力的原理,對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力進(jìn)行了試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)?!笆の濉逼陂g,雷曉波等[11-12]、牛宏偉等[13]、張強(qiáng)等[14]對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)開(kāi)展了推力直接測(cè)量的一系列理論和試驗(yàn)研究,證明了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量的有效性。

    在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量中,應(yīng)變計(jì)布置方法是關(guān)鍵技術(shù)之一。通常認(rèn)為采用彎矩測(cè)量安裝節(jié)推力也是可行的,但是在試車(chē)臺(tái)驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)彎矩橋效果很不好,這成為項(xiàng)目研究的一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)深入的理論和試驗(yàn)研究,本文發(fā)現(xiàn)了彎矩橋測(cè)量效果不明顯的原因,為后續(xù)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量提供了理論和試驗(yàn)支撐。

    1 安裝節(jié)推力測(cè)量力學(xué)原理

    1.1 安裝節(jié)受力分析

    對(duì)于典型的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)的受力示意圖。該發(fā)動(dòng)機(jī)有3個(gè)安裝節(jié)支點(diǎn)。前兩個(gè)為主安裝節(jié),承受發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和部分質(zhì)量,后面1個(gè)為輔助安裝節(jié),僅承受發(fā)動(dòng)機(jī)的部分重量??梢钥闯?,理論上發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)前面兩個(gè)主安裝節(jié)將推力傳遞給飛機(jī)。

    圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)受力示意圖

    圖2給出了試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)推力銷(xiāo)的幾何模型。推力銷(xiāo)左側(cè)被試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)支座完全包裹,處于全約束狀態(tài);推力銷(xiāo)中間圓錐段是外露區(qū),右側(cè)圓柱段被發(fā)動(dòng)機(jī)軸承包裹,承受并傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的航向推力和部分重力。

    圖2 試車(chē)臺(tái)主安裝節(jié)推力銷(xiāo)模型

    1.2 安裝節(jié)剪力測(cè)量原理

    通過(guò)測(cè)量主安裝節(jié)圓柱截面剪切力的方式可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)于安裝節(jié)圓軸橫截面,在剪力作用下其剪應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示[15-16],推力銷(xiāo)剪力橋應(yīng)變計(jì)布置方案如圖4所示。

    圖3 圓軸截面剪應(yīng)力分布

    圖4 推力銷(xiāo)剪力橋應(yīng)變計(jì)布置方案

    由材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知,中性軸外表面上一點(diǎn)的主應(yīng)變?chǔ)排c剪力Q的關(guān)系如下

    (1)

    式(1)中,k為與截面形狀有關(guān)的系數(shù),對(duì)于圓截面k=4/3;A為橫截面積;d為圓軸截面直徑;μ為泊松比系數(shù);E為材料的彈性模量。

    1.3 安裝節(jié)彎矩測(cè)量原理

    理論上,通過(guò)測(cè)量主安裝節(jié)圓柱截面彎矩的方式也可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)推力。對(duì)于安裝節(jié)圓軸橫截面,在作用力Q作用下,距離力的作用點(diǎn)L處橫截面的彎曲應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。在推力銷(xiāo)貼片區(qū)域內(nèi)粘貼兩組彎矩橋,分別測(cè)量推力銷(xiāo)承受的推力和垂直載荷,推力銷(xiāo)彎矩橋貼片方案如圖6所示。

    圖5 圓軸截面彎曲應(yīng)力分布

    圖6 推力銷(xiāo)彎矩橋貼片方案

    由材料力學(xué)知識(shí)可知,彎曲應(yīng)變?chǔ)排c橫向力Q的關(guān)系方程如下

    (2)

    式(2)中,d為圓軸截面直徑;L為彎矩力臂長(zhǎng)度;E為材料的彈性模量。

    2 安裝節(jié)推力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)

    每個(gè)推力銷(xiāo)的最大校準(zhǔn)推力為11 t。剪力橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程如圖7所示,彎矩橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程如圖8所示。圖7、8中縱坐標(biāo)為橋路輸出應(yīng)變,單位為mv/V;橫坐標(biāo)為施加的推力,單位為t。

    圖7 剪力橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程

    圖8 彎矩橋校準(zhǔn)曲線(xiàn)和方程

    從圖7、8中可以看到:

    (1)當(dāng)加載力為1 t時(shí),2個(gè)橋路的輸出都很小,剪力橋輸出僅為0.004 mv/V,彎矩橋輸出僅為0.007 mv/V。這說(shuō)明推力銷(xiāo)的剛度和強(qiáng)度很大,在1 t的作用力下,推力銷(xiāo)變形很小。

    (2)當(dāng)加載力為11噸時(shí),兩個(gè)橋路的輸出都很顯著,剪力橋輸出為0.509 mv/V,彎矩橋輸出僅為1.007 mv/V。這說(shuō)明在足夠大的推力作用下,推力銷(xiāo)會(huì)呈現(xiàn)較為明顯的變形。

    (3)兩個(gè)校準(zhǔn)曲線(xiàn)都有截距。這個(gè)截距是由應(yīng)變橋路自身零位輸出帶來(lái)的。即在不加載推力的情況下,剪力橋自身有-0.046 mv/V的零位輸出,彎矩橋有-0.093 mv/V的零位輸出。

    3 安裝節(jié)推力測(cè)量試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

    3.1 試驗(yàn)結(jié)果

    圖9為剪力橋和彎矩橋試車(chē)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖9中可以看出,剪力橋輸出明顯,發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)時(shí),剪力橋輸出最大值為0.3 mv/V,而彎矩橋基本沒(méi)有變化。

    圖9 試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)中剪力橋和彎矩橋數(shù)據(jù)對(duì)比

    圖10為放大后的彎矩橋試車(chē)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)。從圖10中可以看出,彎矩橋跟隨油門(mén)桿也呈臺(tái)階性變化。但是由于最大值僅為0.000 6 mv/V,所以可以忽略不計(jì)。

    圖10 放大后的彎矩橋試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

    3.2 原因分析

    從試驗(yàn)室推力校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,彎矩橋具有良好的推力校準(zhǔn)方程和曲線(xiàn)。但是在試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)中卻出現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)很小,幾乎不可用的現(xiàn)象。分析原因如下:

    (1)彎矩測(cè)量的力學(xué)原理和基礎(chǔ)在于圓軸根部剛性固定,在橫向力的作用下,圓軸發(fā)生較為明顯的變形,這是試驗(yàn)室校準(zhǔn)具備的條件。

    (2)試車(chē)臺(tái)條件下的安裝節(jié)傳力與試驗(yàn)室校準(zhǔn)條件下安裝節(jié)傳力不同。試車(chē)臺(tái)推力測(cè)量示意圖如圖11所示。試車(chē)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳力路徑為:發(fā)動(dòng)機(jī)推力→主安裝節(jié)→動(dòng)架→彈簧板→推力傳感器。

    圖11 試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)推力傳遞示意圖

    試車(chē)臺(tái)條件下,由于彈簧板的柔性支撐,在發(fā)動(dòng)機(jī)推力傳遞過(guò)程中,動(dòng)架和傳感器之間沒(méi)有固定約束,持續(xù)存在相對(duì)位移。試車(chē)臺(tái)安裝節(jié)的傳力模型如圖12a所示。在推力作用下,彎曲變形主要出現(xiàn)在如圖11中的動(dòng)架上方的彈簧板上,而推力銷(xiāo)上彎曲變形很小,因而不能通過(guò)推力銷(xiāo)上的彎曲變形來(lái)測(cè)得推力。

    實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)試驗(yàn)中,主安裝節(jié)固定于安裝支座,整個(gè)支座是固定在臺(tái)架上不動(dòng)的,安裝節(jié)為剛性固支約束,力學(xué)模型如圖12b所示。

    圖12 安裝節(jié)推力傳遞模型

    由于試車(chē)臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室的約束方式不同,導(dǎo)致彎矩測(cè)量結(jié)果差異較大。而對(duì)于剪力測(cè)量而言,不存在這種影響。

    (3)發(fā)動(dòng)機(jī)推力銷(xiāo)的材料為超高強(qiáng)度合金鋼18Cr2Ni4WA,在發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用下,變形很小。彎矩測(cè)量要求試驗(yàn)件在力的作用下有一定的變形量,而剪力測(cè)量恰恰不需要此條件,這也是剪力測(cè)量的優(yōu)勢(shì)所在。

    4 結(jié)論

    針對(duì)小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力測(cè)量中的應(yīng)變計(jì)布置方法,本文通過(guò)理論研究和試驗(yàn)分析,得出如下結(jié)論:

    (1)基于剪力橋的測(cè)量方法效果好、精度高,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量的要求,可以在試車(chē)臺(tái)和飛行試驗(yàn)中開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量;

    (2)基于彎矩橋的測(cè)量方法效果不明顯、精度低,無(wú)法在試車(chē)臺(tái)和飛行試驗(yàn)中開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)推力直接測(cè)量。

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