CN112525528A - 一种测量舵面传动机构刚度的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，属于强度设计技术领域。该方法分为两个步骤：第一步根据舵面传动机构尺寸，考虑连接件柔度，给出舵面传动机构柔度的预示方法；第二步，设计测量舵面传动机构的试验装置，测量舵面传动机构的柔度和刚度。该方法可在飞行器静力试验中搭载完成，节省试验设备开支。

Description

一种测量舵面传动机构刚度的试验方法

技术领域

本发明涉及一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，属于强度设计技术领域。

背景技术

舵面传动机构是连接飞行器舵面与伺服作动器的机械传动装置。新型飞行器对舵面传动机构提出了轻质、高刚度、长时工作的要求。舵面传动机构的刚度直接影响舵***的传动和控制精度，是舵面传动机构的最重要指标之一。其中，舵面传动机构的静刚度是舵面传动机构在工作静态载荷下抵抗变形的能力，常用舵面传动机构的线刚度和扭转刚度表征。飞行器舵面传动机构刚度的精确测量有重要意义。目前测量舵面传动机构静刚度的常用方法要设计专门的试验台，在舵轴端约束，通过作动器施加力，测量作动器的伸长量，从而得到舵面传动机构的线刚度。该方法一方面需要专门的试验台和舵机，费用较高；另一方面，由于支撑为刚性约束，不能真实反映传动机构的基础刚度，因而无法得到舵面传动机构和舱体的组合刚度。彭波、郭爱民等的专利《一种飞行器空气舵性能评价***及方法》提出了一种测试舵面传动机构性能的方法，该方法能对舵面传动机构的刚度进行测试，是传统测试舵面传动机构刚度方法的典型代表之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，通过空气舵传动机构理论分析、仿真分析和试验测试相结合获得飞行器空气舵传动机构线柔度和扭转柔度，为高动态和高可靠性飞行器空气舵及其传动装置的设计和优化提供全面、经济的刚度参数。

本发明的技术解决方案是：一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，包括如下步骤：

根据舵面传动机构尺寸和连接件关系，对舵面传动机构柔度进行预示，获取其预示值，根据预示值得到舵轴的角位移最大值，根据角位移最大值选取角位移传感器；

组装测量舵面传动机构的试验装置，将选取的角位移传感器安装在试验装置舵轴工装件上，使用试验装置测得舵轴工装件角位移，进而换算为舵面传动机构的扭转刚度和线刚度。

进一步地，所述对舵面传动机构柔度进行预示包括如下步骤：

根据舵面传动机构的销子和被连接件的材料属性和尺寸计算销连接柔度；

根据舵面传动机构的键和被连接件的材料属性和尺寸计算键连接柔度；

根据摇臂的材料属性和尺寸计算摇臂柔度；

根据作动器支座的材料属性和尺寸计算作动器支座柔度；

对试验装置作动器假件进行柔度测试，获得作动器假件柔度；

根据销连接柔度、键连接柔度、摇臂柔度、作动器支座柔度和作动器假件柔度获得舵面传动机构和舵面假件的组合柔度，完成预示。

进一步地，所述销连接柔度为

其中，f_b为销副剪切方向的柔度，单位为mm/N；t₁为第一被连接件耳片厚度；若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm：t₂为第二被连接件耳片厚度；若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm；l_b为销子的夹持长度；E_b为销子的弹性模量，单位为MPa；d为销子的直径，单位为mm；E₁为第一被连接件的弹性模量，单位为MPa；E₂为第二被连接件的弹性模量，单位为MPa。

进一步地，所述键连接柔度为

其中，f_jr为键连接扭转柔度，单位为rad/(N·mm)；y₀为毂外侧最上点的切向位移，单位为mm；M₀为毂外缘的z方向扭矩，单位为N·mm；L_j为平键的有效长度，单位为mm；D_g为轮毂的外径，单位为mm。

进一步地，所述摇臂柔度包括摇臂拉伸柔度、压缩柔度和弯曲柔度，分别为

其中，f_{t_y}为摇臂的拉伸柔度，x_{nax_t}为单位拉载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值，F_U为单位载荷；f_{c_y}为摇臂的压缩柔度，x_{max_c}为单位压缩载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值；f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度，y_max为单位横向载荷作用下的耳孔内表面横向远端位移绝对值。

进一步地，所述组合柔度为

其中，f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度；θ为传动机构摇臂和作动器作动杆轴线的夹角；f_y为摇臂的拉压柔度，当作动器为拉载荷且cosθ<0，或作动器为压载荷且cosθ>0时，f_y＝f_{t_y}；其它情况时，f_y＝f_{c_y}；f_z为作动器支座的拉压柔度，当作动器为拉载荷时，f_z＝f_{t_z}，其它则f_z＝f_{c_z}；f_{b_z}为支座和作动器销连接柔度，f_{b_y}为摇臂和作动器销连接柔度，f_jr为摇臂和舵轴之间键的扭转柔度；L_y为摇臂长度，L_a为舵轴有效长度；G_a为舵轴材料剪切模量，其值为G_a＝E_a/2(1+ν_a)，其中E_a为舵轴材料弹性模量，ν_a为舵轴材料泊松比；I_a为舵轴截面极惯性矩；f_s为作动器假件的拉压柔度，当作动器承受拉载荷时，f_s＝f_{t_s}，其它则f_s＝f_{c_s}、进一步地，所述试验装置为用于舵面传动机构静力试验的试验装置。

进一步地，所述换算为舵面传动机构的扭转刚度和线刚度包括如下步骤：

根据试验测得的舵轴试验工装角位移计算舵面传动机构的扭转柔度，将扭转柔度换算为线柔度，进而换算为扭转刚度和线刚度。

进一步地，第i级试验舵面传动机构的扭转柔度为：

其中，f_rci为第i级试验舵面传动机构和作动器假件的组合扭转柔度，f_s为作动器假件的拉压柔度，当作动器承受拉载荷时，f_s＝f_{t_s}，其它则f_s＝f_{c_s}，i_lo为作动器作动杆伸长速度V_r和舵面转动角速度ω_d之比。

进一步地，第i级舵面传动机构与作动器假件的总扭转柔度为

其中，f_rci为第i级试验舵面传动机构***与作动器假件的组合扭转柔度，i为载荷级，θ_i和θ_i+1分别为i和i+1级载荷下的舵轴角位移输出，其单位为rad，M_i和M_i+1分别为i和i+1级的扭转力矩载荷，其单位为N·mm，M_i和M_i+1用作用在舵面上的力作用点位置向量和力向量的叉积来计算。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)提出的舵面传动机构柔度预示方法考虑了销、键等连接柔度的影响，预示精度优于传统方法；

(2)提出的舵面传动机构刚度测试方法能考虑飞行器支撑刚度对舵面传动机构刚度的影响，精度优于传统的试验台方法；

(3)提出的舵面传动机构刚度测试方法可搭载飞行器静力试验开展，无需搭建专门的试验台，大大节省试验经费和周期。

附图说明

图1为本发明舵面传动机构原理图；

图2为本发明键、轴和毂几何建模示意图；

图3为本发明键、轴和毂网格示意图；

图4为本发明键、轴和毂约束和载荷示意图；

图5为本发明摇臂弯曲刚度计算约束和载荷示意图；

图6为本发明摇臂弯曲刚度计算位移结果图；

图7为本发明舵面传动机构刚度试验装置示意图；

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明一种测量舵面传动机构刚度的试验方法通过空气舵传动机构理论分析、仿真分析和试验测试相结合获得飞行器空气舵传动机构线柔度和扭转柔度，为高动态和高可靠性飞行器空气舵及其传动装置的设计和优化提供全面、经济的柔度参数。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法做进一步详细的说明。

本发明舵面传动机构的原理如图1所示，发明有2个步骤，第一步进行舵面传动机构柔度预示，第二步进行舵面传动机构柔度的测试转置设计和柔度测试。

1舵面传动机构柔度预示

1)销连接柔度计算

销连接摇臂和作动器，销承受剪切和弯曲。销连接剪切方向柔度采用Grumman公式计算。如下所示：

式中：f_b为销副剪切方向的柔度，单位为mm/N；t₁为第一被连接件耳片厚度，若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm：t₂为第二被连接件耳片厚度。若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm；l_b为销子的夹持长度(双耳外侧距离)；E_b为销子的弹性模量，单位为MPa；d为销子的直径，单位为mm；E₁为第一被连接件的弹性模量，单位为MPa；E₂为第二被连接件的弹性模量，单位为MPa。

若为承受扭转的销子(如连接舵面肋和舵轴的销子，中间被连接件为舵轴，两侧被连接件为法兰)，销连接柔度应按下式折算为扭转柔度，

式中f_br为承扭销连接折算扭转柔度，f_b为销连接剪切方向柔度，计算时，舵轴视为单耳朵，其厚度同销孔的深度，法兰视为双耳，其厚度按实际值；r_d为舵轴半径。

2)键连接柔度计算

(2a)键连接轴和毂(摇臂和舵轴连接部分)，传递扭矩。其中，键受到轴、毂的剪切和挤压作用，轴、毂受到键的挤压作用，局部应力状态复杂，但可近似简化为平面应变状态，在此状态下可用有限元方法求解其应力和变形。

利用ANSYS Workbench的静力模块进行键连接计算。在材料模块中，分别定义键、轴和毂的材料。单位制设置为公制的tone-mm-s。几何分析类型定义为2D。在几何模块中，利用键、轴、上半毂和下半毂的横截面尺寸定义几何形状。键、轴、上半毂和下半毂必须在独立的4个XY平面中定义，生成4个独立的面物体，并使轴和毂的截面圆心都过坐标原点，然后把上半毂和下半毂组合成1个零件。建模示意如图2所示。

(2b)在模型模块中，把几何二维行为设置为平面应变。在键和轴、键和毂以及轴和毂之间分别定义带摩擦的接触，接触算法选增广拉格朗日乘子法，摩擦系数取0.1～0.2，接触刚度取1～5且每迭步数更新刚度。网格用四边形主导方法划分，指定单元尺寸并使键厚度方向有5层或以上单元。网格划分如图3所示。

(2c)在轴的内孔面施加固定约束，在毂的外表面施加z向扭矩M₀(可取单位载荷如1000N·mm)，如图4所示。求解步长设置为自动载荷步数，最大为100步，最小为10步，起始步数为10。输出圆柱坐标系下的y向位移，其中定义毂外侧最上点(轴、毂和键截面对称线和毂外侧靠近键的交点)的切向位移为y₀。

(2d)键的扭转柔度用下式表示：

式中，f_jr为键连接扭转柔度，单位为rad/(N·mm)；y₀为毂外侧最上点(轴、毂和键截面对称线和毂外侧靠近键的交点)的切向位移，单位为mm；M₀为毂外缘的z方向扭矩，单位为N·mm；L_j为平键的有效长度，单位为mm；D_g为轮毂的外径，单位为mm。

3)摇臂的柔度计算

(3a)利用ANSYS Workbench的静力模块进行摇臂刚度计算，分析类型选静力学；

(3b)网格划分方法选择六面体主导，精度控制选80～100；

(3c)摇臂约束轴孔、键槽等；

(3d)耳片载荷以单位(如1N)轴承载荷的形式施加到耳片孔内表面；

(3e)载荷方向分别为摇臂长度拉伸方向、摇臂长度压缩方向和机构运动平面内摇臂长度方向的垂直方向；摇臂的弯曲刚度模型如图5所示。

(3f)求解后。在有限元结果中分别提取(3e)所述各个方向的耳孔内表面受压侧最远离孔轴线位置的位移绝对值；摇臂的弯曲刚度模型的位移结果如图6所示

(3g)摇臂拉伸柔度、压缩柔度和弯曲柔度用下式计算：

式中，f_{t_y}为摇臂的拉伸柔度，x_{nax_t}为单位拉载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值，F_U为单位载荷；

f_{c_y}为摇臂的压缩柔度，x_{max_c}为单位压缩载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值；

f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度，y_max为单位横向载荷作用下的耳孔内表面横向远端位移绝对值。

4)作动器支座的柔度

(4a)作动器支座的柔度为作动器支座和舱体的组合柔度；用有限元软件进行求解，分析类型选静力学；

(4b)建立舱体和作动器作动器支座的组合体有限元模型；

(4c)在舱体的远端(如尾端面)施加位移约束；

(4d)耳片载荷以单位(如1N)轴承载荷的形式施加到耳片孔内表面；载荷方向分别为作动器零位位置的作动器拉伸方向和压缩方向；

(4e)求解后。在有限元结果中分别提取耳孔内表面(4d)所述的内孔受压方向的最远端位移的绝对值。作动器支座的拉伸柔度和压缩柔度用下式计算：

式中，f_{t_z}为作动器座机支座的拉伸柔度，单位为mm/N；f_{c_z}为作动器座机支座的压缩柔度，单位为mm/N；x_{nax_t}和x_{nax_c}为单位座机拉伸或压缩载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值，单位为mm。

5)作动器假件的柔度测试

(5a)作动器假件常采用丝杠螺母的形式，其柔度用拉压试验机测试；

(5b)拉压载荷取设计载荷的40％。以10％载荷级差逐级加载；

(5c)位移测量作动器假件耳片最外侧的丝杠轴向相对位移；

(5d)用相对位移和拉压载荷的比得到作动器假件的拉压揉度，分别用f_{t_s}和f_{c_s}表示舵机假件的拉伸柔度和压缩柔度。

6)舵面传动机构和舵机假件的组合柔度

舵面传动机构和舵机假件组件等效到作动器作动杆轴线上的组合线柔度f_l通过如下公式得到：

式中，f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度；θ为传动机构摇臂和作动器作动杆轴线的夹角；f_y为摇臂的拉压柔度，当作动器为拉载荷且cosθ<0，或作动器为压载荷且cosθ>0时，f_y＝f_{t_y}。其它情况时。f_y＝f_{c_y}；

f_z为作动器支座的拉压柔度，当作动器为拉载荷时，f_z＝f_{t_z}，其它则f_z＝f_{c_z}；f_{b_z}为支座和作动器销连接柔度，f_{b_y}为摇臂和作动器销连接柔度，f_jr为摇臂和舵轴之间键的扭转柔度；L_y为摇臂长度，L_a为舵轴有效长度；G_a为舵轴材料剪切模量，其值为G_a＝E_a/2(1+ν_a)，其中E_a为舵轴材料弹性模量，ν_a为舵轴材料泊松比；I_a为舵轴截面极惯性矩；f_s为作动器假件的拉压柔度，当作动器承受拉载荷时，f_s＝f_{t_s}，其它则f_s＝f_{c_s}、

7)舵面传动机构和作动器假件的组合扭转柔度

舵面传动机构和作动器假件等效到舵轴轴线的组合扭转柔度表达式如下：

其中：i_lo为作动器作动杆伸长速度V_r和舵面转动角速度ω_d之比，用下式表示：

i_lo＝L_y sinθ (8)

8)角位移传感器的选型

刚度测试角位移传感器的精度可取0.01°，量程按下式来取：

式中，θ_r为角位移传感器量程，单位为°，M_max为最大设计扭矩，单位为N·mm。

2扭转刚度试验装置设计和测试

1)扭转刚度试验装置设计

如图7所示，采用模拟舵面、模拟舵轴、模拟作动器和真实传动件组成被测***，对舵面传动机构刚度进行测试。模拟舵面采用板状等厚结构形式，采用分布式气动载荷等效为集中载荷的方法，舵面设置多处集中载荷加载点，通过作动筒实现载荷施加。在舵轴端部设置角度测试组件，通过调整安装支架位置来适应不同舵面传动机构的测量需求，以获取被测传动机构在一定载荷下的模拟舵轴转角；

舵面传动机构刚度试验装置由舵面模拟件、舵轴模拟件、支撑轴承座组件、机构摇臂、作动器模拟件、角位移传感器支架、角位移传感器组成。作动器模拟件将舵面锁定在一定角度，在舵面模拟件上设置相应的加载点进行加载，加载过程中舵轴的角度变化通过角位移传感器进行检测。

2)扭转柔度的测试

试验载荷一般加载到使用载荷，以10％设计载荷为加载步长进行逐级加载。第i级试验舵面传动机构和作动器假件的组合扭转柔度用下式计算：

式中，f_rci为第i级试验舵面传动机构和作动器假件的组合扭转柔度，i为载荷级，θ_i和θ_i+1分别为i和i+1级载荷下的舵轴角位移输出，其单位为rad，M_i和M_i+1分别为i和i+1级的扭转力矩载荷，其单位为N·mm，M_i和M_i+1用作用在舵面上的力作用点位置向量和力向量的叉积来计算。

第i级试验舵面传动机构扭转柔度用下式计算：

式中，f_rdi为第i级试验舵面传动机构扭转柔度。

折算到作动器轴线上的第i级试验舵面传动机构线柔度用下式计算：

f_ldi＝f_rdii_lo ² (12)

式中，f_ldi为折算到作动器轴线上的第i级试验舵面传动机构线柔度。

3)舵面传动机构刚度计算

舵面传动机构刚度为对应柔度的倒数。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据舵面传动机构尺寸和连接件关系，对舵面传动机构柔度进行预示，获取其预示值，根据预示值得到舵轴的角位移最大值，根据角位移最大值选取角位移传感器；

组装测量舵面传动机构的试验装置，将选取的角位移传感器安装在试验装置舵轴工装件上，使用试验装置测得舵轴工装件角位移，进而换算为舵面传动机构的扭转刚度和线刚度。

2.根据权利要求1所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述对舵面传动机构柔度进行预示包括如下步骤：

根据舵面传动机构的销子和被连接件的材料属性和尺寸计算销连接柔度；

根据舵面传动机构的键和被连接件的材料属性和尺寸计算键连接柔度；

根据摇臂的材料属性和尺寸计算摇臂柔度；

根据作动器支座的材料属性和尺寸计算作动器支座柔度；

对试验装置作动器假件进行柔度测试，获得作动器假件柔度；

根据销连接柔度、键连接柔度、摇臂柔度、作动器支座柔度和作动器假件柔度获得舵面传动机构和舵面假件的组合柔度，完成预示。

3.根据权利要求2所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述销连接柔度为

其中，f_b为销副剪切方向的柔度，单位为mm/N；t₁为第一被连接件耳片厚度；若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm：t₂为第二被连接件耳片厚度；若为双耳，则取2个耳片厚度的和，单位为mm；l_b为销子的夹持长度；E_b为销子的弹性模量，单位为MPa；d为销子的直径，单位为mm；E₁为第一被连接件的弹性模量，单位为MPa；E₂为第二被连接件的弹性模量，单位为MPa。

4.根据权利要求2所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述键连接柔度为

其中，f_jr为键连接扭转柔度，单位为rad/(N·mm)；y₀为毂外侧最上点的切向位移，单位为mm；M₀为毂外缘的z方向扭矩，单位为N·mm；L_j为平键的有效长度，单位为mm；D_g为轮毂的外径，单位为mm。

5.根据权利要求2所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述摇臂柔度包括摇臂拉伸柔度、压缩柔度和弯曲柔度，分别为

其中，f_{t_y}为摇臂的拉伸柔度，x_{nax_t}为单位拉载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值，F_U为单位载荷；f_{c_y}为摇臂的压缩柔度，x_{max_c}为单位压缩载荷作用的耳孔表面受压侧载荷方向最远端位移绝对值；f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度，y_max为单位横向载荷作用下的耳孔内表面横向远端位移绝对值。

6.根据权利要求2所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述组合柔度为

其中，f_{w_y}为摇臂的弯曲柔度；θ为传动机构摇臂和作动器作动杆轴线的夹角；f_y为摇臂的拉压柔度，当作动器为拉载荷且cosθ<0，或作动器为压载荷且cosθ>0时，f_y＝f_{t_y}；其它情况时，f_y＝f_{c_y}；f_z为作动器支座的拉压柔度，当作动器为拉载荷时，f_z＝f_{t_z}，其它则f_z＝f_{c_z}；f_{b_z}为支座和作动器销连接柔度，f_{b_y}为摇臂和作动器销连接柔度，f_jr为摇臂和舵轴之间键的扭转柔度；L_y为摇臂长度，L_a为舵轴有效长度；G_a为舵轴材料剪切模量，其值为G_a＝E_a/2(1+ν_a)，其中E_a为舵轴材料弹性模量，ν_a为舵轴材料泊松比；I_a为舵轴截面极惯性矩；f_s为作动器假件的拉压柔度，当作动器承受拉载荷时，f_s＝f_{t_s}，其它则f_s＝f_{c_s}。

7.根据权利要求1所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述试验装置为用于舵面传动机构静力试验的试验装置。

8.根据权利要求1所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：所述换算为舵面传动机构的扭转刚度和线刚度包括如下步骤：

根据试验测得的舵轴试验工装角位移计算舵面传动机构的扭转柔度，将扭转柔度换算为线柔度，进而换算为扭转刚度和线刚度。

9.根据权利要求8所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：第i级试验舵面传动机构的扭转柔度为：

其中，f_rci为第i级试验舵面传动机构和作动器假件的组合扭转柔度，f_s为作动器假件的拉压柔度，当作动器承受拉载荷时，f_s＝f_{t_s}，其它则f_s＝f_{c_s}，i_lo为作动器作动杆伸长速度V_r和舵面转动角速度ω_d之比。

10.根据权利要求9所述的一种测量舵面传动机构刚度的试验方法，其特征在于：第i级舵面传动机构与作动器假件的总扭转柔度为

其中，f_rci为第i级试验舵面传动机构***与作动器假件的组合扭转柔度，i为载荷级，θ_i和θ_i+1分别为i和i+1级载荷下的舵轴角位移输出，其单位为rad，M_i和M_i+1分别为i和i+1级的扭转力矩载荷，其单位为N·mm，M_i和M_i+1用作用在舵面上的力作用点位置向量和力向量的叉积来计算。

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