CN104655081A - 一种桨叶结构预扭角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机试验技术领域，特别是涉及对直升机旋翼桨叶（含尾桨叶）等具有预扭角结构的测量方法，也广泛适用于其他行业的具有预扭角结构的测量，如风机叶片、涡轮转子叶片等。本方法用常见的“真实角”θ₀的确定方法确定一个测量剖面的“真实角”θ₀，往往需要尝试3～5个角度的加载，即测量3～5个（ε，θ）测点，甚至更多。而本发明至少需三个（ε_挥，θ）测点，就能一次快速寻找到多个所测被测量剖面的“真实角”θ₀，提高了工作效率。

Description

一种桨叶结构预扭角测量方法

技术领域

本专利属于直升机试验技术领域，特别是涉及对直升机旋翼桨叶（含尾桨叶）等具有预扭角结构的测量方法，也广泛适用于其他行业的具有预扭角结构的测量，如风机叶片、涡轮转子叶片等。

背景技术

为了评估桨叶的强度和疲劳寿命，需要在试飞或试验环境下测量桨叶受到的的载荷；而为了测量桨叶的载荷，就需要在桨叶上贴应变片，并对贴片的桨叶剖面进行载荷标定；而要对各被测量的桨叶剖面进行载荷标定，就需要确定各被测量剖面的最小刚度面，即挥舞面和最大刚度面，即摆振面。对直升机旋翼桨叶（包括尾桨叶）来说，往往都存在结构预扭角，即各剖面的摆振面与摆振面之间（或挥舞面与挥舞面之间）存在一扭角。

把桨叶和桨毂的对接面定为参考0剖面，该参考0剖面的形状为绕变距轴中心对称的矩形，其它剖面与该参考0剖面平行，二者的长轴之间或短轴之间的夹角即为其它剖面相对参考0剖面的扭角；这个就是该被测量剖面的“真实角”θ₀。确定了各被测量剖面的“真实角”θ₀，就确定了各被测量剖面的挥舞面和摆振面。

其实，桨叶的“真实角”θ₀的大小在桨叶的理论外型图上都有规定，但桨叶在生产过程中，由于制造原因，各被测量剖面实际的“真实角”θ₀与设计的“真实角”θ₀会有所不同，这就需要在载荷标定之前进行各被测量剖面“真实角”θ₀的确定。

在我国，常见的“真实角”θ₀的确定方法是这样的：

1）在需要测量载荷的桨叶被测量剖面上贴上如图1所示的八个应变片，分别组成测挥舞应变和摆振应变的桥路。

2）在疑似被测量剖面的摆振面上加一弯矩G×L_i，这个弯矩是在离被测量剖面一定距离L_i处的桨叶加载点上施加一外力G产生的。比较在该剖面摆振面上产生的摆振应变输出和在挥舞面上产生的挥舞应变输出，若此时挥舞应变输出小于摆振应变输出的1%，则认为此时外力所在平面为该被测量剖面的摆振面，即找到了该剖面的“真实角”θ₀，否则，继续改变外力方向进行寻找。

常见的“真实角”θ₀的确定方法有很多不足，一般来说，用常见的“真实角”θ₀的确定方法，要找到一个被测量剖面的“真实角”θ₀，往往需要尝试3～5个角度的加载，甚至更多，费时费力，且不很精确。

发明内容：

本发明的目的：

本发明的目的就是要寻找一种确定“真实角”θ₀新方法，该新方法相比我们常见的寻找“真实角”θ₀的方法，其优点既能节省工作量，提高工作效率，又能提高测量精度，特别是当结构件上的测量剖面多且预扭角变化不很大的情况下提高工作效率尤为明显。

本发明的技术方案：

一种桨叶结构预扭角测量方法，本方法包括以下步骤：

1）在桨叶上各被测量剖面贴好测量挥舞应变的应变片，每个测量剖面上贴四个应变片；

2）确定参考剖面，把桨叶和桨毂的对接面定为参考0剖面，该参考0剖面的形状为绕变距轴中心对称的矩形，其它剖面与该参考0剖面平行，二者长轴之间或短轴之间的夹角即为其它剖面相对参考0剖面的扭角；

3）在离被测量剖面i距离为L_i的加载剖面上选择同一个加载重力的作用点，该作用点的加载重力必须经过桨叶的变距轴；

4）旋转桨叶，选择加载剖面相对于参考0剖面至少三个以上不同的扭角θ，分别加载相同重力G，记录不同角度θ下的各测量剖面的挥舞应变的输出ε_挥；所述的扭角θ的最小值小于被测量剖面的预扭角的设计最小值，扭角θ的最大值小于被测量剖面的预扭角的设计最大值；

5）最后，绘出各个被测量剖面的、以扭角θ为横坐标，以挥舞应变的输出ε_挥为纵坐标的直线拟合图，每个图中对应着挥舞应变为0的角度就是该剖面的“真实角”θ₀，即为该测量剖面结构预扭角。

本发明的有益效果：

1由于常见的“真实角”θ₀的确定方法是判断挥舞应变输出小于摆振应变输出的1%，但若该被测量剖面桨叶摆振刚度相对于挥舞刚度较大（或较小），加载载荷作用下的摆振应变输出就会很小（或很大），另外摆振应变片的贴片位置也影响摆振应变的输出值的大小，这样就会对测量“真实角”θ₀带来较大的误差。而本发明的方法克服了这种不准确性，并有可靠的理论依据，能准确寻找到所测剖面的“真实角”θ₀，提高了测量精度；

2用常见的“真实角”θ₀的确定方法确定一个测量剖面的“真实角”θ₀，往往需要尝试3～5个角度的加载，即测量3～5个（ε，θ）测点，甚至更多。而本发明至少需三个（ε_挥，θ）测点，就能一次快速寻找到多个所测被测量剖面的“真实角”θ₀，提高了工作效率。

附图说明

图1：原有测量方法的桨叶剖面贴片示图,其中b为该剖面弦长；

图2：本发明的桨叶剖面相对位置示图；

图3：本发明的桨叶剖面贴片示图,其中b为该剖面弦长；

图4：实施例某桨叶根段疲劳试验件标定安装加载示图，其中，0为参考0剖面，1，2，3，4，5为五个被测量剖面；

图5：实施例试验结果直线拟合示意图。

具体实施方式

一种桨叶结构预扭角测量方法，本方法包括以下步骤：

1）在桨叶上各测量剖面贴好测量挥舞应变的应变片，每个测量剖面上贴四个应变片；

2）确定参考剖面，把桨叶和桨毂的对接面定为参考0剖面，该参考0剖面的形状为绕变距轴中心对称的矩形，其它剖面与该参考0剖面平行，二者长轴之间或短轴之间的夹角即为其它剖面相对参考0剖面的扭角；对接面就是指桨叶上的、桨叶和桨毂连接处的横截面。现有的桨叶和桨毂连接方式一般采用两个螺栓进行连接，此时，对接面为两个螺栓中心轴所在的面。

3）在离被测量剖面i距离为L_i的加载剖面上选择同一个加载重力的作用点，该作用点的加载重力必须经过桨叶的变距轴；因为经过桨叶的变距轴的载荷不会使被测量剖面产生任何扭角变化。若被测量剖面在加载载荷下发生扭角变化，那么被测量剖面的结构预扭角无法测出。

4）旋转桨叶，选择加载剖面相对于参考0剖面至少三个以上不同的扭角θ，分别加载相同重力G，记录不同角度θ下的各被测量剖面的挥舞应变的输出ε_挥，扭角θ的最小值小于被测量剖面的预扭角的设计最小值，扭角θ的最大值小于被测量剖面的预扭角的设计最大值；具体实施时，可根据桨叶的制造情况预估桨叶各个被测量剖面的预扭角，该被测量剖面选择的扭角θ的最小值和最大值所形成的范围应该包括被测量剖面预估的预扭角值。若最后测出的被测量剖面的“真实角”θ₀超出扭角θ的最小值和最大值所形成的范围，说明预估不准，则需要重新调整θ的最小值和最大值进行加载。

5）最后，绘出各个被测量剖面的、以扭角θ为横坐标，以挥舞应变的输出ε_挥为纵坐标的直线拟合图，每个图中对应着挥舞应变为0的角度就是该剖面的“真实角”θ₀，即为该测量剖面结构预扭角。

本方法的原理如下：

如图2所示，坐标系x₁o₁y₁为桨叶0剖面的平面坐标系，x₂o₂y₂为被测量剖面的主坐标轴系，x₃o₃y₃为加载平面坐标系，G为加载重力，其中G的作用点o₃离o₂的距离设定为L。又设x₂o₂y₂与x₁o₁y₁的扭角为θ₀，x₃o₃y₃与x₁o₁y₁的扭角为θ，则此时作用在被测量剖面上的挥舞弯矩GLsin(θ₀-θ)与挥舞应变ε_挥的关系为：

GL sin(θ₀-θ)＝Kε_挥   （1）

其中K为该剖面的比例常数。

（1）式也可写成：

当θ-θ₀较小时，（2）式可写为：

（3）式就可以通过试验的方法，至少由三个（ε_挥，θ）点线性拟合，找出θ相对于ε_挥的直线，该直线与横坐标θ轴的交点的θ值，即为我们所说的“真实角”θ₀，此时在挥舞面的应变输出ε_挥为0。

当然，在这里我们应当注意，在选定θ角时，一定不能偏离θ₀太多，否则（2）式中的sin(θ-θ₀)≈θ-θ₀这个假设不成立，试验得到的（ε，θ）点进行线性拟合时相关系数会很差。若需要确定的剖面的“真实角”之间相差较大，则需要把这些剖面分组，组之间剖面的“真实角”差建议不超过20°（此时最大误差为2%）。

实施例1：

下面以某直升机旋翼桨叶根部疲劳试验件为例，阐述具体实施方式：

1）在如图4所示的桨叶上的五个测量剖面贴好测量挥舞应变的应变片，每个测量剖面上贴四个应变片，如图3所示。五个测量剖面为Section200，Section 350，Section 500，Section 600，Section 750，分别对应着对应着“1”，“2”，“3”，“4”，“5”剖面；

2）确定参考剖面，把桨叶和桨毂的对接面定为参考0剖面，该参考0剖面的形状为绕变距轴中心对称的矩形，五个测量剖面与该参考0剖面平行，二者长轴之间或短轴之间的夹角即为五个测量剖面相对参考0剖面的扭角；

3）如图4所示，在离被测量剖面i距离为L_i的A点加载剖面上选择同一个加载重力的作用点，该作用点的加载重力必须经过桨叶的变距轴。此时加载点离参考0剖面的距离L=1.60米；L_i变的具体数值将表1。

表1

剖面	Section 200	Section 350	Section 500	Section 600	Section 750
						Li	1.40米	1.25米	1.10米	1.00米	0.85米

4）根据图4所示所有被测量的剖面预扭角的变化范围（可由理论外型图获得所有剖面预扭角的变化范围为-12°～4°），确定五个不同的桨叶旋转扭角θ：-15°、-10°、-5°、0°、5°。旋转五次桨叶，使加载剖面相对于参考0剖面的扭角值θ分别为：-15°、-10°、-5°、0°、5°，依次加载相同重力G=40kg，记录不同角度θ下的各测量剖面的挥舞应变的输出ε_挥，这样就在5个被测量剖面上都得到了5个（ε_挥，θ_扭）点；

5）最后，绘出各个被测量剖面的、以扭角θ为横坐标，以挥舞应变的输出ε_挥为纵坐标的直线拟合图，如图5所示。每个图中对应着挥舞应变为0的角度就是该剖面的“真实角”θ₀，即为该测量剖面结构预扭角。表2列出了该旋翼桨叶根部疲劳试验件被测量的五个剖面的“真实角”θ₀。

表2

剖面	Section 200	Section 350	Section 500	Section 600	Section 750
						角度	3°14′	1°02′	-3°25′	-7°21′	-11°42′

Claims (2)

1.一种桨叶结构预扭角测量方法，其特征是，本方法包括以下步骤：

1）在桨叶上各被测量剖面贴好测量挥舞应变的应变片，每个测量剖面上贴四个应变片；

2）确定参考剖面，把桨叶和桨毂的对接面定为参考0剖面，该参考0剖面的形状为绕变距轴中心对称的矩形，其它剖面与该参考0剖面平行，二者长轴之间或短轴之间的夹角即为其它剖面相对参考0剖面的扭角；

3）在离被测量剖面i距离为Li的加载剖面上选择同一个加载重力的作用点，该作用点的加载重力必须经过桨叶的变距轴；

4）旋转桨叶，选择加载剖面相对于参考0剖面至少三个以上不同的扭角θ，分别加载相同重力G，记录不同角度θ下的各测量剖面的挥舞应变的输出ε_挥；

5）最后，绘出各个被测量剖面的、以扭角θ为横坐标，以挥舞应变的输出ε_挥为纵坐标的直线拟合图，每个图中对应着挥舞应变为0的角度就是该剖面的“真实角”θ₀，即为该测量剖面结构预扭角。

2.如权利要求1所述的一种桨叶结构预扭角测量方法，其特征是，第4）步中所述的扭角θ的最小值小于被测量剖面的预扭角的设计最小值，扭角θ的最大值小于被测量剖面的预扭角的设计最大值。