CN104648688A - 一种桨叶应变片布置及解耦方法 - Google Patents

Abstract

本专利属于直升机结构试验技术领域，涉及对直升机旋翼桨叶（含尾桨叶）等非对称结构的应变片布置及解耦方法，也广泛适用于其他行业的非对称结构（比如风机叶片、涡轮叶片等）的载荷测试工作。本专利介绍的布片技术和物理解耦法，克服了通常采用的分析解耦法的及时性不足的缺点，能及时准确得到挥舞和摆振应变，此时的测量值（或）就是真实的挥舞应变（或摆振应变），给试飞或测量现场及时判断带来极大的方便。不但如此，在实际载荷测量中，本专利介绍的技术和方法与传统的布片技术及分析解耦法相比，其测试数据的处理工作量也会少很多，即本专利介绍的这种布片技术和物理解耦法方法能节省数据处理的工作量，提高工作效率。

Description

一种桨叶应变片布置及解耦方法

技术领域

本专利属于直升机结构试验技术领域，涉及对直升机旋翼桨叶（含尾桨叶）等非对称结构的应变片布置及解耦方法，也广泛适用于其他行业的非对称结构（比如风机叶片、涡轮叶片等）的载荷测试工作。

背景技术

旋翼载荷测量是直升机研制过程中的一个重要工作环节。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，通常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；由于直升机旋翼桨叶剖面不对称性的特点，尤其是当今广泛使用的复合材料桨叶，在实际研究载荷与变形时，会碰到如下问题：施加挥舞载荷会在摆振面有应变输出，同样，施加摆振载荷会在挥舞面有应变输出，即存在耦合问题。其中摆振面为通过最大刚度轴且垂直横截面的剖面，挥舞面为通过最小刚度轴且垂直横截面的剖面。要找出载荷与应变的关系，需要对耦合方程进行解耦。在我国，通常采用的解耦方法是分析解耦法，即凭贴片人员的经验贴片后，挥舞载荷与摆振载荷的耦合靠事后分析来数字解耦。

桨叶载荷测量中载荷与应变关系的一般方程如下：

通常采用的分析解耦法做法如下：

1）针对方程（1），可以分级先加载挥舞弯矩，使摆振弯矩为0，通过应变仪获得应变和通过拟合再计算可得λ_挥-挥和λ_挥→摆；再分级先加载摆振弯矩，使挥舞弯矩为0，通过应变仪获得应变和通过拟合再计算可得λ_摆-摆和λ_摆→挥。

2）把方程（1）改写如下形式：

即：

其中：

J_yx＝λ_挥-挥×λ_摆-摆-λ_挥→摆×λ_摆→挥

解耦后的方程为：

其中M_挥、M_摆分别为挥舞弯矩和摆振弯矩，分别为测量的挥舞应变和摆振应变，K_挥-挥为挥舞方向的刚度系数，K_摆→挥为摆振对挥舞的耦合（影响）系数，K_挥→摆为摆振方向的刚度系数，K_摆-摆为挥舞对摆振的耦合（影响）系数。

3）根据测量获得的应变得到该剖面的弯矩M_挥、M_摆。

分析解耦法虽然最后也能获得所需桨叶上所受到的弯矩，但明显存在着如下缺点：挥舞测量应变中不但有挥舞应变，而且含摆振应变，同样摆振测量应变中不但有摆振应变，而且含挥舞应变量，这就给及时（这点很重要，地面监控人员需要快速反应）监控挥舞和摆振应变带来了困惑，而且测试试验后的数据处理工作量相对大很多。

发明内容

本发明的目的：

本专利介绍的布片技术和物理解耦法，克服了通常采用的分析解耦法的及时性不足的缺点，能及时准确得到挥舞和摆振应变，此时的测量值（或）就是真实的挥舞应变（或摆振应变），给试飞或测量现场及时判断带来极大的方便。不但如此，在实际载荷测量中，本专利介绍的技术和方法与传统的布片技术及分析解耦法相比，其测试数据的处理工作量也会少很多，即本专利介绍的这种布片技术和物理解耦法方法能节省数据处理的工作量，提高工作效率。

本发明的技术方案：

一种桨叶应变片布置及解耦方法，本方法包括以下步骤：

第一步，在被测试桨叶剖面上贴5个应变片，其中，第一应变片1和第二应变片2贴在被测试桨叶前缘上，第三应变片3、第四应变片4和第五应变片5贴在被测试桨叶后缘上，5个应变片都应贴在被测试桨叶的同一种材料上；

第二步，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥，测出5个应变片的应变值分别为ε_挥1、ε_挥2、ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_挥i、ε_挥j是ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5中的任意不同两个；

第三步，对被测试桨叶剖面加载摆振弯矩M_摆，测出5个应变片的应变值分别为ε_摆1、ε_摆2、ε_摆3、ε_摆4和ε_摆5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_摆i、ε_摆j是ε_摆3、ε_摆4、ε_摆5中的任意不同两个；

第四步，计算出就认为i，j两个应变片与第一应变片1和第二应变片2位置满足物理解耦，近似认为挥舞弯矩与摆振弯矩无耦合效应，即λ_挥→摆＝0.0，i，j与第一应变片1和第二应变片2四个应变片组成了一个摆振测试桥路，满足解耦要求；

若则需要寻找第六应变片6的贴片位置，使其中，

所述的寻找方法如下：选择第三应变片3、第四应变片4和第五应变片5中任意一个，与第六应变片6组桥，即将ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5任意一个代入ε_挥i，求解方程算出ε_挥6的三个值。根据ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5的数值大小与贴片位置的规律，定出ε_挥6的三个值对应的三个贴片位置，再从三个贴片位置中，结合与其组桥的应变片位置，最终选出第六应变片6位置；

第五步，将第六应变片6贴在第四步中选出的位置，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥和摆振弯矩M_摆，验证是否≤5%，如果通过验证，桨叶应变片布置及解耦结束；如果没有通过验证，微调第六应变片6的位置，直至通过验证；其中i为第四步中与第六应变片6组桥的应变片序号。

本发明的技术效果：

1能准确得到挥舞和摆振应变（载荷），给试飞或测量现场及时判断结果情况带来极大的方便；

2能消除挥舞载荷和摆振载荷的相互耦合影响，大大减少测试数据的处理工作量，提高工作效率。

附图说明

图1：本方法中某被测桨叶剖面贴片示意图,其中1、2、3、4、5为应变片编号；

图2：本方法中第六应变片6贴在被测桨叶剖面的位置示意图。

具体实施方式

一种桨叶应变片布置及解耦方法，本方法包括以下步骤：

第一步，在被测试桨叶剖面上贴5个应变片，其中，第一应变片1和第二应变片2贴在被测试桨叶前缘上，第三应变片3、第四应变片4和第五应变片5贴在被测试桨叶后缘上，5个应变片都应贴在被测试桨叶的同一种材料上；

第二步，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥，测出5个应变片的应变值分别为ε_挥1、ε_挥2、ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_挥i、ε_挥j是ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5中的任意不同两个；

第三步，对被测试桨叶剖面加载摆振弯矩M_摆，其中摆振弯矩M_摆是挥舞弯矩M_挥的2～3倍。测出5个应变片的应变值分别为ε_摆1、ε_摆2、ε_摆3、ε_摆4和ε_摆5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_摆i、ε_摆j是ε_摆3、ε_摆4、ε_摆5中的任意不同两个；

第四步，计算出就认为i，j两个应变片与第一应变片1和第二应变片2位置满足物理解耦，近似认为挥舞弯矩与摆振弯矩无耦合效应，即λ_挥→摆＝0.0，i，j与第一应变片1和第二应变片2四个应变片组成了一个摆振测试桥路，满足解耦要求；

若则需要寻找第六应变片6的贴片位置，使其中，

所述的寻找方法如下：选择第三应变片3、第四应变片4和第五应变片5任意一个，与第六应变片6组桥，即将ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5任意一个代入ε_挥i，求解方程算出ε_挥6的三个值。根据ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5的数值大小与贴片位置的规律，定出ε_挥6的三个值对应的三个贴片位置，再从三个贴片位置中，结合与其组桥的应变片位置，最终选出第六应变片6位置；

第五步，将第六应变片6贴在第四步中选出的位置，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥和摆振弯矩M_摆，验证是否≤5％，如果通过验证，桨叶应变片布置及解耦结束；如果没有通过验证，微调第六应变片6的位置，直至通过验证；其中i为第四步中与第六应变片6组桥的应变片序号。

在如图1所示的某桨叶剖面贴5个应变单片，然后加摆振弯矩M^摆到该剖面，测出5个单片的应变值分别为ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₄₄和ε₅₅，算出：其中ε_ii、ε_jj是ε₃₃、ε₄₄、ε₅₅中的任意两个。最后但工程上往往很难达到这么完美，一般我们要求在情况下，只要就认为i，j两个应变片与第一应变片1和第二应变片2位置满足物理解耦，近似认为挥舞弯矩与摆振弯矩无耦合效应，即λ_挥→摆＝0.0。当然，i，j两个应变片不一定就能在开始布置的3，4，5等三个应变片中找到满足要求的组合，若出现没有满足要求的情况，则需要寻找贴第6个应变片的位置（第6个应变位置不是盲目确定的，它需要根据3，4，5三个应变片的应变数值确定，具体操作见实例中的描述），使得第6个应变的应变值与3，4，5三个应变片的其中某一个应变片的数值相加，正好与第一应变片1和第二应变片2的应变数值相加相等或非常接近，即满足条件那么该剖面就完成了解耦应变片的布置工作。

实施例1：

下面以载荷测试的某直升机旋翼桨叶为例，详细说明本发明：

第一步，在被测试桨叶剖面上贴5个应变片，如图1所示。其中，第一应变片1和第二应变片2贴在被测试桨叶前缘上，第三应变片3、第四应变片4和第五应变片5贴在被测试桨叶后缘上，5个应变片都应贴在被测试桨叶的同一种材料上；

第二步，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥=20kg×3490mm，测出5个应变片的应变值分别为ε_挥1、ε_挥2、ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5，具体数据见表1，算出：具体数据见表3；

表1：施加挥舞载荷各应变片的输出值

第三步，对被测试桨叶剖面加载摆振弯矩M_摆=40kg×3490mm，测出5个应变片的应变值分别为ε_摆1、ε_摆2、ε_摆3、ε_摆4和ε_摆5，具体数据见表2，算出：具体数据见表3；

表2：施加摆振载荷各应变片的输出值

表3：耦合影响所占的百分比

第四步，计算出见表3。从表3可以看出，三种组合的最小为8.52%，不满足的要求。需要寻找第六应变片6的贴片位置。从表1可以计算得出：ε_挥1+ε_挥2＝-153.53，根据表1所示的ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5的数值情况，第6个应变片的ε_挥6应该为负值。我们分别作如下假设：

假设一：1、2、3、6应变片组合，需要的

ε_挥6＝(ε_挥1+ε_挥2)-ε_挥3＝-153.53-19.05＝-172.58

假设二：1、2、4、6应变片组合，需要的

ε_挥6＝(ε_挥1+ε_挥2)-ε_挥4=-153.53-(-96.38)＝-57.15

假设三：1、2、5、6应变片组合，需要的

ε_挥6＝(ε_挥1+ε_挥2)-ε_挥5=-153.53-(-132.95)＝-20.58

如果要想假设二和假设三成立，那么根据表1所示的ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5的数值规律，第6号应变片应该贴在该剖面的尖尖处，我们认为该方案不好，应变片贴片不但不好操作，而且易损坏。用第一个假设，那么根据表1所示的ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5的数值规律，第6号应变片应该贴在该剖面的4、5号应变片的外端且靠近5号应变片的地方，由于ε_挥5-ε_挥4＝-132.95-(-96.38)＝-36.57，而ε_挥6-ε_挥5=-172.58-(-132.95)＝-39.63，这样第6号应变片的位置就可以比较准确的定位：离5号应变片的距离等于（或稍大于）4号和5号应变片之间的距离。

第五步，将第六应变片6贴在第四步中选出的位置，如图2。先对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥=20kg×3490mm，测出4个应变片的应变值分别为ε_挥1、ε_挥2、ε_挥3和ε_挥6，具体数据见表4，算出：具体数据见表6；然后对被测试桨叶剖面加载摆振弯矩M_摆=40kg×3490mm，测出4个应变片的应变值分别为ε_摆1、ε_摆2、ε_摆3和ε_摆6，具体数据见表5，算出：具体数据见表6；

表4：施加挥舞载荷各应变片的输出值

表5：施加摆振载荷各应变片的输出值

表6：耦合影响所占的百分比

由表6可知，由第一应变片1、第二应变片2、第三应变片3和第六应变片6组成的被测桨叶剖面摆振桥路满足的要求，这样，该被测桨叶剖面的布片解耦工作顺利完成。

Claims (1)

1.一种桨叶应变片布置及解耦方法，其特征是，本方法包括以下步骤：

第一步，在被测试桨叶剖面上贴5个应变片，其中，第一应变片（1）和第二应变片（2）贴在被测试桨叶前缘上，第三应变片（3）、第四应变片（4）和第五应变片（5）贴在被测试桨叶后缘上，5个应变片都应贴在被测试桨叶的同一种材料上；

第二步，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥，测出5个应变片的应变值分别为ε_挥1、ε_挥2、ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_挥i、ε_挥j是ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5中的任意不同两个；

第三步，对被测试桨叶剖面加载摆振弯矩M_摆，测出5个应变片的应变值分别为ε_摆1、ε_摆2、ε_摆3、ε_摆4和ε_摆5，算出：其中，i，j取{3，4，5}中的一个，且i≠j，即ε_摆i、ε_摆j是ε_摆3、ε_摆4、ε_摆5中的任意不同两个；

第四步，计算出就认为i，j两个应变片与第一应变片（1）和第二应变片（2）位置满足物理解耦，近似认为挥舞弯矩与摆振弯矩无耦合效应，即λ_挥→摆＝0.0，i，j与第一应变片（1）和第二应变片（2）四个应变片组成了一个摆振测试桥路，满足解耦要求；

若则需要寻找第六应变片（6）的贴片位置，使其中，

所述的寻找方法如下：选择第三应变片（3）、第四应变片（4）和第五应变片（5）中任意一个，与第六应变片（6）组桥，即将ε_挥3、ε_挥4和ε_挥5任意一个代入ε_挥i，求解方程算出ε_挥6的三个值，根据ε_挥3、ε_挥4、ε_挥5的数值大小与贴片位置的规律，定出ε_挥6的三个值对应的三个贴片位置，再从三个贴片位置中，结合与其组桥的应变片位置，最终选出第六应变片（6）位置；

第五步，将第六应变片（6）贴在第四步中选出的位置，对被测试桨叶剖面加载挥舞弯矩M_挥和摆振弯矩M_摆，验证是否≤5%，如果通过验证，桨应变片布置及解耦结束；如果没有通过验证，微调第六应变片（6）的位置，至通过验证；其中i为第四步中与第六应变片（6）组桥的应变片序号。