一种翼吊发动机的动力学试验载荷测量装置和方法与流程

专利2022-05-09  8


本申请一般涉及动力学模型试验,尤其涉及翼吊发动机的载荷测量。



背景技术:

一些动力学模型试验,如风洞试验、飞模试验、水上迫降试验等,需要在试验时测量发动机载荷,以用于验证发动机载荷的计算,从而获得发动机结构的设计载荷。

目前在动力学模型试验中,常用的测力装置为测力天平。但是测力天平设计改装复杂,需要额外设计天平测量元件,并需设计相关结构的连接。

为此,本领域需要改进的用于在试验时测量发动机载荷的装置和方法。



技术实现要素:

本公开的一方面涉及一种翼吊发动机载荷测量装置,包括吊挂部分,用于将发动机结构吊挂到机翼结构上;该吊挂部分还包括载荷传递连杆装置,用于将该发动机结构所承受的载荷传递到该机翼结构上;以及测量部分,该测量部分包括应变传感器,该应变传感器布置在该载荷传递连杆装置上以用于测量该载荷传递连杆装置的应变。

根据一示例性实施例,吊挂部分包括梁结构,该梁结构在前端与该发动机结构连接,以将该发动机结构所承受的载荷传递至该梁结构;以及吊框结构,该吊框结构与该机翼结构连接,其中该梁结构在后端穿过该吊框结构。

根据一示例性实施例,载荷传递连杆装置包括连接该梁结构和该吊框结构的四斜杆万向节装置,用于将传递至该梁结构的载荷的至少一部分传递至该吊框结构;以及连接该梁结构的后端和该机翼结构的可调节连杆装置,用于将传递至该梁结构的载荷的至少另一部分传递至该机翼结构。

根据一示例性实施例,四斜杆万向节装置包括第一组连杆,该第一组连杆包括上连杆和下连杆;以及左连杆和右连杆,其中该上连杆和下连杆的前端连接到该梁结构,并且该上连杆和下连杆的后端比前端隔开更大距离地连接到该吊框结构,并且该左连杆和右连杆的前端连接到该梁结构,并且该左连杆和右连杆的后端比前端隔开更大距离地连接到该吊框结构。

根据一示例性实施例,该可调节连杆装置包括第二组连杆,该第二组连杆包括左后连杆和右后连杆;梁接头,用于将该左后连杆和右后连杆的下端连接到该梁结构的后端;以及机翼接头,用于将该左后连杆和右后连杆的上端比下端隔开更大距离地连接到该机翼结构,其中该机翼接头和该梁接头是沿该梁结构的轴向可调节的。

根据一示例性实施例,该应变传感器布置在每个连杆的中截面附近。

本公开的另一方面涉及一种使用如上该的翼吊发动机载荷测量装置进行翼吊发动机载荷测量的方法,包括在该发动机结构的重心处施加多个已知载荷工况;通过该应变传感器测量该已知载荷工况下的应变数据;以及建立该应变数据与所施加的已知载荷工况的关系。

根据一示例性实施例,建立该应变数据与所施加的已知载荷工况的关系包括基于该已知载荷工况建立载荷矩阵;基于该应变数据建立应变矩阵;建立该应变矩阵与该载荷矩阵之间的多元线性回归方程;以及通过矩阵运算确定该多元线性回归方程的相关系数矩阵。

根据一示例性实施例,该方法进一步包括通过该应变传感器采集试验测量中一个或多个特定时刻的试验应变数据;基于该试验应变数据建立试验应变向量或矩阵;以及基于该试验应变向量或矩阵以及该多元线性回归方程的该相关系数矩阵来确定试验载荷向量或矩阵。

根据一示例性实施例,该方法进一步包括调整以下一项或多项或其任何组合后进行翼吊发动机载荷测量:该连杆的角度;该吊框结构的前后位置;以及该机翼接头和该梁接头沿该梁结构的轴向位置。

附图说明

图1示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的示意图。

图2示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的安装的示意图。

图3示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的四斜杆万向节装置的示意图。

图4示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的可调节连杆装置的示意图。

图5示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的安装结构的斜视图。

图6示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的载荷传递的示意图。

图7示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的受力分析的示意图。

图8示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及在翼吊发动机与机翼结构模型间设计一种吊挂装置,并在关键连接构件上布置一定数量的应变传感器,通过标定来建立高精度的载荷-应变相关方程,试验后将获取的应变数据代入相关方程,从而获得动力学模型试验的发动机载荷。以下将结合附图对本公开的具体实施方式进行描述。

图1示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置100的示意图。如图中所示,发动机载荷测量装置100可包括吊挂部分和测量部分。根据示例性实施例,发动机载荷测量装置100的吊挂部分例如可包括用于与发动机结构连接的梁结构121和用于与机翼结构连接的吊框结构124等,其中梁结构121穿过吊框结构124。根据示例性实施例,梁结构121可以将发动机所承受的载荷的至少一部分通过下文描述的载荷传递连杆装置122传递至吊框结构124。吊框结构124可以进一步将载荷传递至机翼结构。

发动机载荷测量装置100的吊挂部分例如还可包括载荷传递连杆装置122。根据示例性实施例,载荷传递连杆装置122可包括第一组连杆。第一组连杆的一头连接到梁结构121,而另一头连接到吊框结构124。根据示例性实施例,载荷传递连杆装置122还可包括第二组连杆。第二组连杆的一头连接到梁结构121的后端,而另一头连接到机翼结构。发动机所承受的载荷的至少一部分可通过第二组连杆从梁结构121传递到机翼结构。

发动机载荷测量装置100的测量部分可包括应变传感器(未示出)。根据示例性实施例,一个或多个应变传感器可被布置在发动机结构与机翼结构之间的载荷传递连杆装置122处以用于获取相应的应变值。

如此,通过在发动机重心处施加多个载荷工况,并对其进行标定,就可建立应变与发动机载荷之间的多元线性回归方程。此后,将获取的应变数据代入相关方程,就能获得与之对应的发动机载荷。

图2示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的安装200的示意图。如图2中所示,例如图1中所示的发动机载荷测量装置100之类的发动机载荷测量装置202可被安装在发动机结构204与机翼结构206之间,以用于将发动机结构204吊挂在机翼结构206上。

根据示例性实施例,如结合图1的发动机载荷测量装置100所描述的,发动机载荷测量装置202的吊挂部分的梁结构210可在前端与发动机结构204连接,以用于将发动机所承受的载荷传递至梁结构。该连接可包括但不限于例如采用螺栓方式。

根据示例性实施例,如结合图1的发动机载荷测量装置100所描述的,发动机载荷测量装置202的吊挂部分的吊框结构212可与机翼结构206连接,以用于将吊框结构212承受的载荷传递至机翼结构206。

根据示例性实施例,如结合图1的发动机载荷测量装置100所描述的,发动机载荷测量装置202的吊挂部分的载荷传递连杆装置的第一组连杆214可在两头分别与梁结构210和吊框结构212连接。上述连接可包括但不限于例如采用销子连接的方式。

根据示例性实施例,如结合图1的发动机载荷测量装置100所描述的,发动机载荷测量装置202的吊挂部分的载荷传递连杆装置的第二组连杆216可与梁结构210和机翼结构206连接。例如,第二组连杆216的一头可以通过梁接头来与梁结构210的后端连接,而另一头可以通过机翼接头来与机翼结构206连接。上述连接可包括但不限于例如采用螺栓方式。机翼接头和梁接头是沿梁结构210的轴向可调节的。

发动机所承受的载荷可被传递到梁结构210上,其中的一部分载荷由梁结构210传递给吊框结构212并进而传递给机翼结构206,其中的另一部分载荷由梁结构210通过载荷传递连杆装置的第二组连杆216传递给机翼结构206。

根据本公开的一方面,以上结合图1和图2描述的载荷传递连杆装置100和/或202的第一组连杆可包括例如四个连杆,即上连杆、下连杆、左连杆和右连杆,分别位于梁结构(从后端向前端看)的上侧、下侧、左侧和右侧,组成四斜杆万向节装置。

图3示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的四斜杆万向节装置300的示意图。发动机载荷测量装置的四斜杆万向节装置300可包括上连杆302、下连杆304左连杆306和右连杆(未示出)。

根据示例性实施例,上连杆302和下连杆304可呈v字形连接,其中上连杆302和下连杆304的前端可通过例如销子连接方式来连接到308梁结构上,而上连杆302和下连杆304的后端可以比前端隔开更大距离并且通过例如销子连接方式来连接到吊框结构310上。

根据示例性实施例,306左连杆和右连杆(未示出)可呈v字形连接,其中左连杆306和右连杆的前端可通过例如销子连接方式来连接到梁结构308上,而左连杆306和右连杆的后端可以比前端隔开更大距离并且通过例如销子连接方式来连接到吊框结构310上。

根据示例性实施例,发动机承受的载荷传递到梁结构308,并通过上连杆302、下连杆304、左连杆306和右连杆传递到吊框结构。

根据本公开的一方面,载荷传递连杆装置的第一组连杆中的上连杆302,下连杆304,左连杆306和右连杆308所组成的四斜杆万向节装置300可以实现垂向和/或侧向正交载荷的独立测量;并且通过第一组连杆的斜向设计(即,v字形连接)可放大测试点的结构应变,从而通过应用简单的测力元件二力杆实现了应变的精确控制。如此,该四斜杆万向节装置300被实现为能够控制局部测点的载荷大小。

根据本公开的一方面,以上结合图1和图2描述的载荷传递连杆装置的第二组连杆可包括例如两个连杆,即左后连杆和右后连杆,位于梁结构后端。载荷传递连杆装置的第二组连杆中的左后连杆、右后连杆可以与机翼接头和梁接头一起组成可调节连杆装置。

图4示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的可调节连杆装置400的示意图。发动机载荷测量装置的可调节连杆装置400可包括左后连杆402和右后连杆404。可调节连杆装置400可进一步包括梁接头406和机翼接头408。

左后连杆402和右后连杆404可呈v字型连接,其中左后连杆402和右后连杆404的下端可以通过梁接头406来与梁结构的后端连接,而左后连杆402和右后连杆404的上端可以比下端隔开更大距离并通过机翼接头408来与机翼结构连接。上述连接可包括但不限于例如采用螺栓方式。

根据本公开的一方面,在由载荷传递连杆装置的第二组连杆中的左后连杆402、右后连杆404、机翼接头408和梁接头406所组成的可调节连杆装置400中,机翼接头408与梁接头406可沿梁结构轴向进行调节,用于调整力臂从而控制力矩平衡载荷的应变大小,从而提高测试精度。如此,该可调节连杆装置400被实现为能够控制总体平衡载荷的大小。

根据本公开的一方面,另一方面,通过调整吊框结构的前后位置,改变斜杆的角度,从而可控制斜杆应变。

图5示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的安装结构500的斜视图。如所可见,梁结构502的前端用于悬挂发动机结构,并且后端穿过吊框结构504。载荷传递连杆装置的第一组连杆508的前端连接到梁结构上,而后端比前端隔开更大距离地连接到吊框结构上,以将梁结构502上来自于发动机结构的载荷的至少一部分通过第一组连杆508传递到吊框结构504上以进一步传递到机翼结构上。

另一方面,载荷传递连杆装置506的第二组连杆510的下端可以通过梁接头514来与梁结构502的后端连接,而上端可以比下端隔开更大距离并通过机翼接头512来与机翼结构连接。

图6示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的载荷传递600的示意图。载荷可包括力和矩。在该方案中,发动机的航向力fx通过第一组连杆508(上连杆、下连杆、左连杆、右连杆)来传递,垂向力fz通过第一组连杆508中的上连杆和下连杆、以及第二组连杆510(左后连杆、右后连杆)来传递,侧向力fy通过第一组连杆508中的左连杆和右连杆、以及第二组连杆510(左后连杆、右后连杆)来传递。

另一方面,发动机的航向扭矩mx例如可通过第一组连杆508中的左连杆和右连杆、以及第二组连杆510(左后连杆、右后连杆)来传递,垂向弯矩my例如可通过第一组连杆508中的上连杆和下连杆、以及第二组连杆510(左后连杆、右后连杆)来传递,侧向弯矩mz例如可通过第一组连杆508中的左连杆和右连杆、以及第二组连杆510(左后连杆、右后连杆)来传递。

图7示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量装置的受力分析700的示意图。为清楚起见,图7中仅示出了垂向载荷的受力分析。但是本领域普通技术人员可以理解,也可以对发动机载荷测量装置进行航向、侧向的受力分析。如图中所示,fe为引擎对梁结构的作用力,fw为机翼对梁结构的作用力,其力臂分别为le和lw。尽管图中将fe和fw示为方向为向上,但是根据不同的试验场景,垂向力的方向可以有所不同,而不限于如上所示的方向。

垂向载荷通过第一组连杆中的上连杆和下连杆、以及第二组连杆(左后连杆、右后连杆)来传递。p1为上连杆所受的力,r为其水平分量,s为其垂直分量。p2为下连杆所受的力,同样也可分解为水平分量和垂直分量(未示出)。

通过受力分析可见,本公开的发动机载荷测量装置可实现垂向、侧向正交载荷的独立测量;并通过连杆斜向设计可放大测试点的结构应变,且应用了最简单的测力元件二力杆实现应变精确控制;另外通过调整吊框结构的前后位置,改变斜杆的角度θ,从而可控制斜杆应变。

本公开的发动机载荷测量装置的机翼接头与梁接头可沿梁结构轴向进行调节,用于调整力臂从而控制力矩平衡载荷的应变大小,从而提高测试精度。

本公开的可调节连杆装置(即,左后连杆、右后连杆、机翼接头、梁接头)用于控制总体平衡载荷的大小,四斜杆万向节装置(即,上连杆、下连杆、左连杆、右连杆)用于控制局部测点的载荷大小。

根据本公开的一些方面,可以选取发动机与机翼结构之间的关键传力构件,例如以上结合图1–图6描述的第一组连杆以及第二组连杆等来进行应变传感器布置。由于上述连杆均为二力杆结构,因此单根连杆最少可布置1个应变传感器,也可布置更多的应变传感器,以用于轴力的测量。

根据一些示例性实施例,本公开的方案可以在每一连杆中截面位置附近布置2个应变传感器,冗余的应变传感器可以起到相互备份和提高标定精度的作用。

根据本公开的示例性方面,通过在发动机重心处施加多个(例如,m个)载荷工况(航向力fx、垂向力fz、侧向力fy、航向扭矩mx、垂向弯矩my和侧向弯矩mz),就可以对应变[εij]与载荷工况之间的多元线性回归方程进行标定,如式(1)所示:

其中

i=1,2,…m(m≥2)为地面标定试验工况数;j=1,2,…n(n≥3)为应变传感器个数。[εij]为m行n列的应变矩阵,由各应变传感器对多个工况进行测量得到,其中每一行对应于一个工况,而每一列对应于由相应的一个传感器测得的应变值。[β]为n行6列的相关系数矩阵。等号右边的矩阵为m行6列的载荷工况矩阵,其中每一行对应于一个工况,而每一列对应于一个载荷(例如,航向力fx、垂向力fz、侧向力fy、航向扭矩mx、垂向弯矩my和侧向弯矩mz),可根据在发动机重心处施加的载荷工况来获得。通过矩阵运算,例如将载荷工况矩阵左乘应变矩阵的逆矩阵,便可求解相关系数矩阵[β]。

在求解出相关系数矩阵[β]之后,便可通过将由应变传感器获得在发动机载荷作用下的应变向量[ε1ε2…εn],并将应变向量[ε1ε2...εn]代入以下式(2),来确定作用于发动机重心处的总载荷向量[fxfyfzmxmymz]。

当然,在测得或获得多个应变向量的情况下,也可将由这些应变向量作为行向量构成应变矩阵,来求解作用于发动机重心处的相应的总载荷矩阵。

根据一示例性实施例,假使在发动机重心处施加的载荷工况线性无关,例如,每次分别施加航向力fx、垂向力fz、侧向力fy、航向扭矩mx、垂向弯矩my和侧向弯矩mz中的一者,则最少只需要6次地面标定试验工况即可对式(1)中的多元线性回归方程进行标定。

图8示出了根据本公开的一方面的发动机载荷测量的方法800的流程图。方法800可包括在框810,在发动机重心处施加多个已知的载荷工况。根据示例性实施例,载荷工况可以包括航向力fx、垂向力fz、侧向力fy、航向扭矩mx、垂向弯矩my和侧向弯矩mz或其任何组合。这些载荷工况可以是线性无关的,但并不被限定于此,而是也可以包括至少部分地线性相关的载荷工况。

在框820,方法800可包括通过布置在发动机与机翼结构之间的传力构件中的传感器来测量应变数据。

根据示例性实施例,可以通过使用如以上结合图1–图6中任一者描述的发动机载荷测量装置来进行发动机载荷测量。发动机与机翼结构之间的传力构件可包括但不限于如以上结合图1–图6中任一者描述的发动机载荷测量装置中的第一组连杆(上连杆、下连杆、左连杆、右连杆)和第二组连杆(左后连杆、右后连杆)等。在发动机与机翼结构之间的传力构件中布置的传感器可包括布置在每一连杆的中截面位置附近的一个或多个应变传感器等。

应变数据可包括例如由该一个或多个传感器对多个工况作出的测量。每一个工况的测量可以包括如前所述的应变向量的形式。从而多个工况的测量可以包括如前所述的应变矩阵的形式。

在框830,方法800可包括通过标定来建立测得的应变数据与所施加的载荷工况的关系。

根据示例性实施例,建立测得的应变数据与所施加的载荷工况的关系可包括建立应变数据与载荷工况的线性回归方程。通过标定来建立测得的应变数据与所施加的载荷工况的关系可包括通过矩阵求解来确定该线性回归方程的相关系数矩阵。

在框840,方法800可包括在试验测量中通过布置在发动机与机翼结构之间的传力构件中的传感器来采集特定时刻下的试验应变数据。在试验测量中,在发动机重心处施加的载荷工况未知。特定时刻下的应变数据与该特定时刻下的载荷工况相对应。特定时刻可包括一个或多个时刻。相应地,所采集的试验应变数据可包括与这一个或多个时刻下的载荷工况分别相对应的一组或多组试验应变数据。每一组试验应变数据可以是试验应变向量的形式。多组试验应变数据可以是试验应变矩阵的形式,其中每个时刻的载荷工况对应于该试验应变矩阵中相应的行向量。

在框850,方法800可包括通过将所采集的试验应变数据代入所确定的线性回归方程来确定试验测量中的发动机载荷。

根据示例性实施例,将所采集的试验应变数据代入所确定的线性回归方程可包括将试验应变向量或试验应变矩阵与该线性回归方程的相关系数矩阵相乘,以相应地获得试验载荷向量或试验载荷矩阵。

由此,通过使用如图8中所解说的发动机载荷测量方法800,能够准确地获取动力学模型试验的发动机结构所受的载荷,而且精度足够满足试验要求。

以上所述的仅为本发明的示例性具体实施例。但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本文中所公开的方法包括用于达成所描述的方法的一个或多个步骤或动作。这些方法步骤和/或动作可以彼此互换而不会脱离权利要求的范围。换言之,除非指定了步骤或动作的特定次序,否则具体步骤和/或动作的次序和/或使用可以改动而不会脱离权利要求的范围。

将理解,权利要求并不被限于以上所解说的精确配置和组件。可在以上所描述的方法和装置的布局、操作和细节上做出各种改动、更换和变形而不会脱离权利要求的范围。

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