CN106706208A - 航空发动机矢量推力测量台架静态校准方法 - Google Patents

航空发动机矢量推力测量台架静态校准方法 Download PDF

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杨桥
吴锋
张有
冯旭栋
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    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency

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Abstract

一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，包括如下步骤：步骤一：对矢量推力测量台架各分量进行预加载，加载的载荷不小于台架设计量程的80％，并保持30min以上；卸载，检查各测力组件输出状态是否正常，步骤二：按照正交设计原理，设计复合加载表，按加载表重复加载和卸载3遍以上，步骤三：选取验证载荷进行加载，重复3遍以上，选取的验证载荷可以为单分量加载或复合加载，选取时应尽量模拟矢量推力测量台架的真实工作状态，步骤四：数据处理及结果评价，主要包括：1)校准系数求解，2)结果评价。本发明缩短了静态校准周期、提高了校准工作效率，而且在一定程度上提高了矢量推力测量台架的测量精度。

Description

航空发动机矢量推力测量台架静态校准方法
技术领域
本发明属于航空发动机推力测试领域，具体涉及一种基于复合加载模式的航空发动机矢量推力测量台架静态校准方法。
已有技术介绍
矢量推力测量台架是一个用于矢量力测量的平台，其主要功能就是将发动机试验时产生的矢量推力准确测量出来，通过推力台架获取矢量力的各方向分量，并对矢量力进行作用点、作用方向和大小的评估。高精度、可靠性好的矢量推力测量台架的研制与应用，不仅要求有很高的加工精度、严格的加工工艺，而且需要高精度的校准。事实上，航空发动机矢量推力台架的校准工作也是试验台建设过程中的关键步骤之一，它直接影响到矢量推力测量台架最终工作性能的好坏。
目前，航空发动机矢量推力测量台架的静态校准大都采用单分量加载模式，即单独对各个分量进行加载，这种加载模式步骤繁琐，校准效率很低，并且由于这种加载模式与台架实际使用时的情况不完全相同，无法准确模拟矢量推力测量台架的真实工作状态，使得得到的校准公式对于台架特性的反映效果大打折扣。
技术内容
解决的技术问题，提供一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，通过该方法不仅可以缩短了静态校准周期、提高校准工作效率，而且在一定程度上提高了矢量推力测量台架的测量精度。
技术方案，一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，包括如下步骤：
步骤一：对矢量推力测量台架各分量进行预加载，加载的载荷不小于台架设计量程的80％，并保持30min以上；卸载，检查各测力组件输出状态是否正常，此步骤可保证矢量推力测量台架处于良好的工作状态，
步骤二：按照正交设计原理，设计复合加载表，按加载表重复加载和卸载3遍以上，复合加载表的设计实现过程主要包括：首先，由实验人员选择合适的正交表模型；然后，以矢量推力测量台架各个力/力矩分量作为加载设计因素，确定各因素的水平数Mi，并将各个分量的设计量程按等间距均分为Mi个水平，其中下标i表示加载的力或力矩分量的序号，其取值为从1到6，将各加载设计因素及各因素的水平数带入正交表模型，即可得到复合加载表，通过正交设计的加载表大大减少了校准实验过程中各分量的组合数目，可以有效减少实验时间，提高实验效率，
步骤三：选取验证载荷进行加载，重复3遍以上，选取的验证载荷可以为单分量加载或复合加载，选取时应尽量模拟矢量推力测量台架的真实工作状态，验证加载数据只用于校准公式验证，不用于校准系数的求解，
步骤四：数据处理及结果评价，包括：1)校准系数求解，2)结果评价，
1)校准系数求解
校准模型公式是用来描述作用在台架上的载荷值与矢量推力测量台架输出值之间的关系式，根据校准公式中自变量项的阶次，可以将校准模型分为一阶模型、二阶模型和高阶模型，实践经验表明，二阶次以内的校准模型就可以满足对矢量推力测量台架的描述，并达到较高精度，
校准模型公式可以用矩阵形式表示：
[F]＝[A][R] (1)
式中，[F]为通过校准设备向台架施加的标准校准载荷构成的矩阵，可表示为：
[F]＝[F1,F2,F3,F4,F5,F6]T (2)
[R]为由矢量推力测量台架各测力组件输出结果构成的自变量矩阵。对于一阶模型，包含6项自变量；对于二阶模型，包含27项自变量，即：
[R]一阶＝[R1,R2,R3,R4,R5,R6]T (3)
[A]为待求的校准系数矩阵，表示了台架各测力组件的输出与校准载荷之间的映射关系，可以作为校准实验的结果，
若用[Fc]表示一个实验加载点的校准载荷，那么K个加载点的载荷数据可以构成一个6×K的校准载荷矩阵[Fc]6×K；类似地，K个加载点数据可以构造一个m×K的自变量矩阵[Rc]m×K，对于一阶模型，m＝6；对于二阶模型，m＝27。于是，根据前文建立的校准模型，可以得到：
[Fc]6×K＝[A]6×m[Rc]m×K+[E]6×K (5)
式中，[E]6×K表示校准残余误差，根据最小二乘原理，要得到系数矩阵[A]6×K的无偏估计必须令[E]6×K等于[0]，即：
[Fc]6×K＝[A]6×m[Rc]m×K (6)
采用上述加载模式，可以保证构造的自变量矩阵[Rc]m×K是满秩的且其秩为m，此时矩阵的行列式不等于0，必定有唯一的最小二乘解，得到的校准系数矩阵的解为：
此系数矩阵即为航空发动机矢量推力测量台架的静态校准修正系数。
2)结果评价
首先根据测试数据精度及公式(7)确定的函数关系，计算校准系数的不确定度；根据校准系数误差传递的方法，计算各个加载点的不确定度，该值作为矢量推力测量台架的精度评定指标。
有益效果，提供一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，缩短了静态校准周期、提高校准工作效率，而且在一定程度上提高了矢量推力测量台架的测量精度。
附图说明
图1基于复合加载模式的航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法流程图
具体实施方式
一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，包括：
步骤一：对矢量推力测量台架各分量进行预加载，加载的载荷不小于台架设计量程的80％，并保持30min以上；卸载，检查各测力组件输出状态是否正常，此步骤可保证矢量推力测量台架处于良好的工作状态，
步骤二：按照正交设计原理，设计复合加载表，按加载表重复加载和卸载3遍以上，复合加载表的设计实现过程主要包括：首先，由实验人员选择合适的正交表模型；然后，以矢量推力测量台架各个力/力矩分量作为加载设计因素，确定各因素的水平数Mi，并将各个分量的设计量程按等间距均分为Mi个水平，其中下标i表示加载的力或力矩分量的序号，其取值为从1到6，将各加载设计因素及各因素的水平数带入正交表模型，即可得到复合加载表，通过正交设计的加载表大大减少了校准实验过程中各分量的组合数目，可以有效减少实验时间，提高实验效率，
步骤三：选取验证载荷进行加载，重复3遍以上，选取的验证载荷可以为单分量加载或复合加载，选取时应尽量模拟矢量推力测量台架的真实工作状态，验证加载数据只用于校准公式验证，不用于校准系数的求解，
步骤四：数据处理及结果评价，包括：1)校准系数求解，2)结果评价，
1)校准系数求解
校准模型公式是用来描述作用在台架上的载荷值与矢量推力测量台架输出值之间的关系式，根据校准公式中自变量项的阶次，可以将校准模型分为一阶模型、二阶模型和高阶模型，实践经验表明，二阶次以内的校准模型就可以满足对矢量推力测量台架的描述，并达到较高精度，
校准模型公式可以用矩阵形式表示：
[F]＝[A][R] (1)
式中，[F]为通过校准设备向台架施加的标准校准载荷构成的矩阵，可表示为：
[F]＝[F1,F2,F3,F4,F5,F6]T (2)
[R]为由矢量推力测量台架各测力组件输出结果构成的自变量矩阵。对于一阶模型，包含6项自变量；对于二阶模型，包含27项自变量，即：
[R]一阶＝[R1,R2,R3,R4,R5,R6]T (3)
[A]为待求的校准系数矩阵，表示了台架各测力组件的输出与校准载荷之间的映射关系，可以作为校准实验的结果，
若用[Fc]表示一个实验加载点的校准载荷，那么K个加载点的载荷数据可以构成一个6×K的校准载荷矩阵[Fc]6×K；类似地，K个加载点数据可以构造一个m×K的自变量矩阵[Rc]m×K，对于一阶模型，m＝6；对于二阶模型，m＝27。于是，根据前文建立的校准模型，可以得到：
[Fc]6×K＝[A]6×m[Rc]m×K+[E]6×K (5)
式中，[E]6×K表示校准残余误差，根据最小二乘原理，要得到系数矩阵[A]6×K的无偏估计必须令[E]6×K等于[0]，即：
[Fc]6×K＝[A]6×m[Rc]m×K (6)
采用上述加载模式，可以保证构造的自变量矩阵[Rc]m×K是满秩的且其秩为m，此时矩阵的行列式不等于0，必定有唯一的最小二乘解，得到的校准系数矩阵的解为：
此系数矩阵即为航空发动机矢量推力测量台架的静态校准修正系数。
2)结果评价
首先根据测试数据精度及公式(7)确定的函数关系，计算校准系数的不确定度；根据校准系数误差传递的方法，计算各个加载点的不确定度，该值作为矢量推力测量台架的精度评定指标。

Claims (2)

1.一种航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对矢量推力测量台架各分量进行预加载，加载的载荷不小于台架设计量程的80％，并保持30min以上；卸载，检查各测力组件输出状态是否正常，
步骤二：按照正交设计原理，设计复合加载表，按加载表重复加载和卸载3遍以上，复合加载表的设计实现过程主要包括：首先，由实验人员选择合适的正交表模型；然后，以矢量推力测量台架各个力/力矩分量作为加载设计因素，确定各因素的水平数Mi，并将各个分量的设计量程按等间距均分为Mi个水平，其中下标i表示加载的力或力矩分量的序号，其取值为从1到6，将各加载设计因素及各因素的水平数Mi带入正交表模型，即可得到复合加载表，
步骤三：选取验证载荷进行加载，重复3遍以上，选取的验证载荷可以为单分量加载或复合加载，选取时应尽量模拟矢量推力测量台架的真实工作状态，
步骤四：数据处理及结果评价，包括：1)校准系数求解，2)结果评价。
2.如权利要求1所述的航空发动机矢量推力测量台架的静态校准方法，其特征在于，所述的校准系数的求解公式为
其中，为求得的矢量推力测量台架校准系数矩阵的最小二乘解，[Fc]为通过校准设备向台架施加的标准校准载荷构成的矩阵，[Rc]为由矢量推力测量台架各测力组件输出结果构成的自变量矩阵，上标T表示矩阵的转置运算，下标m为选取的自变量数量，对于一阶模型，m＝6，对于二阶模型，m＝27，下标K表示校准加载点的数量。
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