CN114720036B - 一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空领域，特别涉及一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法及装置，本申请通过将航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定装置快速粘贴到冗余型安装梁结构上，并采用两个测量面结合的方式，获取多个应力与应变的关系，从而标定能够快速标定冗余型安装梁结构载荷，本装置以及方法快速精准，适用不同直径的冗余型安装梁结构。

Description

一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法及装置

技术领域

本申请属于航空领域，特别涉及一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法及装置。

背景技术

安装系统是航空发动机在飞机上实现安装要求的机械构件系统，其功能是将发动机的推力和各种附加载荷传递给飞机。对航空发动机安装系统的受载状态测量，是保证其工作安全及发动机工作状态确认的重要措施。应变电测法是目前常用的载荷测量及载荷标定方法，已广泛应用于多种构件的载荷标定工作。

目前安装系统中安装梁与机匣连接部分的结构常为一体的圆轴结构，其工作时承受轴向载荷P和径向载荷F，如图1所示。为测量轴向载荷P的大小和径向载荷F的大小、方向及作用面，现有测试应变计粘贴方案如图1所示，应变计为2对直角应变花(a与b，c与d)，每支应变计沿与轴线成45°方向粘贴，2对直角应变花位于圆轴的对面。对于此应变计粘贴方案，可通过4个应变计的应变桥路组合分别求出载荷P、载荷F、由载荷F引起的弯矩M与应变计输出值之间的关系，从而完成载荷的标定。

但是，对于非一体、由两个半圆柱组成的圆柱形冗余型安装梁结构，由于其结构的不连续，使得当载荷F的方向不平行于两个半圆柱的连接面时，由载荷F引起的弯矩M会有2个中性轴，此时图1所示的应变计粘贴方案将无法确定弯矩M的大小及方向，导致无法通过应变桥路的组合求出载荷F的大小、方向及作用点。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，所述安装梁结构为两个半圆柱体沿分割面拼接而的圆柱体，所述安装梁结构具有轴向载荷与径向载荷，其表面粘贴有应变计，其特征在于，所述载荷标定方法包括：

获取第一截面的第一应变、径向载荷以及轴向载荷，建立应变与轴向载荷的标定公式，基于径向载荷得到垂直分割面方向的法向弯矩分量，建立应变与法向弯矩分量的标定公式，其中所述第一截面是距离所述安装梁结构的端面第一预设长度的横截面；

获取第二截面的第二应变，基于所述径向载荷得到平行于所述分割面方向的平行弯矩分量以及平行于分割面方向的剪力分量，建立第二应变以及平行弯矩分量的标定公式、第二应变与所述剪力分量的标定公式，其中所述第二截面是距离所述安装梁结构的端面第二预设长度的横截面；

基于所述第一预设长度、所述第二预设长度、第二应变与平行弯矩分量的标定公式、第二应变与所述剪力分量的标定公式，建立径向载荷作用点的标定公式；

基于所述应变与法向弯矩分量的标定公式、所述第二应变以及平行弯矩分量的标定公式、所述径向载荷作用点的标定公式，建立径向载荷方向以及大小的标定公式。

优选的是，所述应变计包括两个呈直角连接的应变片。

优选的是，所述应变计在所述第一截面处布置于所述安装梁结构的外表面，并沿所述分割面对称布置，每个所述应变计的一个应变片与轴向平行。

优选的是，所述应变计在所述第一截面处布置于所述安装梁结构的外表面，并沿所述分割面对称布置，至少有两个所述应变计的一个应变片与轴向平行，至少有两个所述应变计的对称轴与轴向平行。

优选的是，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体距离分割面最远处的母线上。

优选的是，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体距离分割面最远处的母线上，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体的距离分割面处的母线上，其中，r为半圆柱体的半径。

一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定装置，所述装置，包括：

弹性曲板，具有内侧与外侧，所述弹性曲板具有弯曲与展开两种状态，弯曲时，弹性曲板两边沿内侧的中心线卷曲，用于包覆圆柱体外表面，展开时，弹性曲板所述内侧展开的夹角大于180度；

弹性带，所述弹性带包括两条，安装于所述弹性曲板的内侧，弹性带的两端具有提供使两端连接与松开的环扣；

应变计，所述应变计按预设位置安装在弹性带上，当所述弹性曲板包覆圆柱体外表面时，所述弹性带的两端连接，所述应变计粘贴圆柱体外表面，其中弹性曲板的内侧面具有收缩的弹性板，展开时，外侧面为的夹角小于180度，在收缩的弹性板作用下能够使弹性曲板保持展开的状态，而在外力的作用下，弹性板的角度恢复到小于180度时，弹性板在自身弹力的作用下使弹性曲板想内侧卷曲，卷曲在圆柱表面之后，应变计能够粘贴在圆柱表面。

优选的是，所述应变计包括两个呈直角连接的应变片。

优选的是，所述弹性带包括第一弹性带与第二弹性带，在第一弹性带总长度的1/4,3/4处安装所述应变计，在第二弹性带总长度的0.18、0.25、0.32、0.68、0.75、0.82处安装所述应变计。

优选的是，在第一弹性带上，所述应变计的其中一个应变片与所述弹性带平行；位于第二弹性带总长度的0.18、0.32、0.68、0.82处的应变计，其应变片与所述弹性带平行，第一弹性带与第二弹性带的位置能够改变，同时，第一弹性带与第二弹性的位置能够调整，并且应变计在弹性带按上述位置预设安装，本装置在标定不同直径的航空发动机冗余型安装梁结构都能够快速安装，在弹性带的作用下应变计能够在不同的直径的航空发动机冗余型安装梁结构下快速贴到想要的位置。

本申请的优点包括：

1、适用于由两个半圆柱形组成的圆柱形冗余安装梁结构的应变计粘贴布置方案；

2、根据此新型应变计粘贴布置方案求取轴向载荷P的大小和径向载荷F的大小、方向、作用截面的计算方法。

附图说明

图1是圆轴结构应变计粘贴方案示意图；

图2是安装系统冗余型安装梁结构受力状态图；

图3是新型冗余型安装梁结构应变计粘贴方案及应变计编号；

图4是轴向载荷P载荷标定所用的应变计及其编号；

图5是弯矩M₁在测量面1的分解；

图6是M_1y对测量面1的作用图；

图7是弯矩M₂在测量面2的分解图；

图8是M_2z对测量面2的作用图；

图9是剪力F_2S在测量面2的分解图；

图10是剪力F_2S在测量面2的平面分解图；

图11是剪力F_2Sz在应变花粘贴处的微单元体受力分析图；

图12是剪力F_2Sz在应变花粘贴处的微单元体受力分析图；

图13是剪切力应力圆分析图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

1、航空发动机冗余型安装梁结构

某航空发动机安装系统冗余型安装梁结构如图2所示，其结构设计为冗余型结构，由左安装梁、右安装梁及连接两者的固定螺钉组成，安装梁头部承受由发动机传递来的推力，推力载荷为轴向载荷P和径向载荷F，由于发动机工作状态的变化，轴向载荷P的大小和径向载荷F的大小、方向、作用截面也随着发动机工作状态的变化而变化，为了确认发动机工作状态及保证冗余型安装梁结构的安全性，需通过载荷标定确定载荷P的大小和载荷F的大小、方向和作用面；由于图2所示安装梁为冗余结构，左安装梁、右安装梁接触位置具有应力集中现象，该区域不适合粘贴应变计，导致无法通过粘贴应变计的方式直接测量标定径向载荷F的大小、方向和作用面，需通过测量标定由载荷F引起的弯矩M后，再计算得出径向载荷F的大小、方向和作用面。

2、新型冗余型安装梁结构应变计粘贴方案

新型冗余型安装梁结构应变计粘贴方案及应变计编号如图3所示，采用航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定装置，所述装置，包括：

弹性曲板，具有内侧与外侧，所述弹性曲板具有弯曲与展开两种状态，弯曲时，弹性曲板两边沿内侧的中心线卷曲，用于包覆圆柱体外表面，展开时，弹性曲板所述内侧展开的夹角大于180度；

弹性带，所述弹性带包括两条，安装于所述弹性曲板的内侧，弹性带的两端具有提供使两端连接与松开的环扣；

应变计，所述应变计按预设位置安装在弹性带上，当所述弹性曲板包覆圆柱体外表面时，所述弹性带的两端连接，所述应变计粘贴圆柱体外表面，其中弹性曲板的内侧面具有收缩的弹性板，展开时，外侧面为的夹角小于180度，在收缩的弹性板作用下能够使弹性曲板保持展开的状态，而在外力的作用下，弹性板的角度恢复到小于180度时，弹性板在自身弹力的作用下使弹性曲板想内侧卷曲，卷曲在圆柱表面之后，应变计能够粘贴在圆柱表面。

采用上述装置将应变计粘贴在2个测量面上：测量面1和测量面2。测量面1距安装梁头部最右端为L₁+L₂(L₁为径向载荷F作用面距安装梁头部最右端的距离，为未知量；L₂为未知量；L₁+L₂为已知量)，此测量面粘贴2对直角应变花，用于轴向载荷P的测量及由径向载荷F引起的在此截面的弯矩M₁的分量M_1y的测量，应变花粘贴位置位于安装梁头部的上下对称面上，每对应变花中的2个应变计分别平行和垂直于x轴，此测量面4个应变计编号分别为：ε₁～ε₄。测量面2距安装梁头部最右端为L₁+L₂+L₃(L₃为已知量)，此测量面粘贴6对直角应变花，其中2对直角应变花粘贴位置位于安装梁头部的上下对称面上，用于径向载荷F的分量F_z的测量，此直角应变花中的2个应变计沿与x轴成±45°，其应变计编号分别为：ε₅～ε₈；另外4对直角应变花粘贴位置位于安装梁头部的左右对称面距离为(r为安装梁头部圆截面半径)处，用于由径向载荷F引起的在此截面的弯矩M₂的分量M_2z的测量，每对应变花中的2个应变计分别平行和垂直于x轴，其应变计编号分别为：ε₉～ε₁₆。

3、载荷大小、方向及作用点的计算方法

对于轴向载荷P，由于其载荷方向已知，可采用常规方法进行载荷标定；而对于径向载荷F，由于无法通过粘贴应变计的方式直接测量标定其大小、方向和作用面，需通过测量标定由载荷F引起的弯矩M后，再通过弯矩M与载荷F的关系计算得出径向载荷F的大小、方向和作用面，具体计算方法如下：

3.1轴向载荷P的载荷标定方案

测量面1上的2对直角应变花均可用于轴向载荷P的载荷标定，如图4所示，为保证载荷标定精度，可将2对直角应变花均用于载荷P的标定，即应变计编号分别为：ε₁～ε₄。

由于安装梁头部在工作时变形较小，切应力τ_x、τ_y对正应变ε_x、ε_y的影响可忽略不计，因此，根据胡克定理有：

式中：

σ_x——x轴方向应力，

E——安装梁材料的弹性模量，

μ——材料的泊松比，

r——安装梁头部圆截面半径。

整理公式(1)可得：

其中，ε_P＝(ε₁+με₂+ε₃+με₄)。

即公式(2)为轴向载荷P大小的载荷标定公式。

3.2由径向载荷F引起的在测量面1的弯矩分量M_1y的载荷标定方案

对于非一体、由两个半圆柱组成的圆柱形冗余型安装梁结构，由于其结构的不连续，使得当载荷F的方向平行于两个半圆柱的连接面时，由载荷F引起的弯矩M会有1个中性轴，而当不平行于两个半圆柱的连接面时，由载荷F引起的弯矩M会有2个中性轴，因此，可将弯矩M分解为平行和垂直于连接面两个方向，并在测量面1、测量面2上分别计算弯矩M的分量。

由径向载荷F引起的在测量面1的弯矩M₁可沿y轴和z轴分解为M_1y和M_1z，弯矩M₁与z轴负向角度为θ。

由于图4所示应变计粘贴处于M_1z的中性面，M_1z不会引起应变计数值的变化，因此可仅分析M_1y对测量面1上应变计数值的影响，M_1y对测量面1的作用图如图6所示。由于冗余型安装梁在y轴方向为2个立柱半圆型横梁相叠加的叠梁结构，且在安装梁头部区域无螺栓连接，其弯曲变形相同，因此各梁承受的弯矩均为半圆的中性轴距z轴距离/>惯性矩/>故图4所示应变计粘贴处的应力σ_1x为：

联立公式(1)、公式(3)得：

其中，ε_M1y＝(ε₃+με₄-ε₁-με₂)。

3.3由径向载荷F引起的在测量面2的弯矩分量M_2z的载荷标定方案

如图7所示，由径向载荷F引起的在测量面2的弯矩M₂可沿y轴和z轴分解为M_2y和M_2z，弯矩M₂与z轴负向角度为θ。

由于图8所示应变计粘贴处于M_2y的中性面，M_2y不会引起应变计数值的变化，因此可仅分析M_2z对测量面2上ε₉～ε₁₆号应变计数值的影响，M_2z对测量面2的作用图如图8所示。M_2z的弯曲截面为圆形，惯性矩故图4所示应变计粘贴处的应力σ_2x为：

联立公式(1)、公式(5)得：

其中，ε_M2z＝(ε₁₁+με₁₂+ε₁₃+με₁₄-ε₉-με₁₀-ε₁₅-με₁₆)。

3.4由径向载荷F引起的在测量面2的剪力分量F_S2z的载荷标定方案

如图8所示，由径向载荷F引起的在测量面2的剪力F_2S可沿y轴和z轴分解为F_2Sy和F_2Sz，剪力F_2S与z轴负向角度为θ。

当剪力F_2S分解为F_2Sy和F_2Sz后，由于切应力平行于截面侧边，故F_2Sy在图10所示应变计粘贴处无应力应变输出，因此可仅分析F_2Sz对测量面2上ε₅～ε₈号应变计数值的影响。如图11所示，在应变花粘贴处建立微单元体，进行微单元体受剪力影响下的平面应力应变状态分析，根据切应力互等定理，可以判断切应力τ的方向及应变计ε₅～ε₈的拉压状态，此时应变计粘贴方向为主应力方向，即在图10所示F_2Sz方向下，ε₅、ε₇受压，ε₆、ε₈受拉。

可根据图11-12所示微单元体受力分析图建立剪切力应力圆分析应力应变的关系，如图10所示。通过应力圆分析可得，ε₆、ε₈的应力坐标为σ₆＝σ₈＝(τ_F,0)，ε₅、ε₇的应力坐标为σ₅＝σ₇＝(-τ_F,0)，则根据胡克定理有：

为消除拉力P、弯矩M对ε₅～ε₈应变计示数的影响，可将ε₅～ε₈应变计组成全桥，使全桥读数为ε_F2Sz＝(ε₆+ε₈-ε₅-ε₇)。

此时根据公式(7)，切应力τ_F为：

根据材料力学，对于圆截面梁，其最大切应力发生在中性轴上，即：

联立公式(8)、公式(9)可得：

3.5载荷F的大小、方向和作用面的计算

综上所述，通过粘贴不同截面和位置的应变计，已经得到了由径向载荷F引起的在测量面1的弯矩分量M_1y、由径向载荷F引起的在测量面2的弯矩分量M_2z、由径向载荷F引起的在测量面2的剪力分量F_S2z，根据M＝FL，则M_2z与F_S2z的关系为：

M_2z＝F_S2z·(L₂+L₃) (11)

联立公式(6)、公式(10)、公式(11)，得测量面1距离径向载荷F作用面的距离L₂为：

由于L₃、L₁+L₂为已知量，因此当L₂求得后，径向载荷F的作用面便已确定，即公式(12)为径向载荷F作用面位置的标定公式，可按此公式的计算值作为径向载荷F作用距离的载荷标定值。式中：

μ——材料的泊松比，

r——安装梁头部圆截面半径，

L₃——测量面1与测量面2之间的距离，

ε_M2z＝(ε₁₁+με₁₂+ε₁₃+με₁₄-ε₉-με₁₀-ε₁₅-με₁₆)，

ε_F2Sz＝(ε₆+ε₈-ε₅-ε₇)。

同时，弯矩M_1y与弯矩M_2y的关系为：

联立公式(4)、公式(6)、公式(12)、公式(13)，可得径向载荷F的大小为：

即上式为径向载荷F大小的载荷标定公式，可按此公式的计算值作为径向载荷F大小的载荷标定值。式中：

E——安装梁材料的弹性模量，

μ——材料的泊松比，

r——安装梁头部圆截面半径，

ε_M1y＝(ε₃+με₄-ε₁-με₂)，

ε_M2z＝(ε₁₁+με₁₂+ε₁₃+με₁₄-ε₉-με₁₀-ε₁₅-με₁₆)，

ε_F2Sz＝(ε₆+ε₈-ε₅-ε₇)。

因此，根据图10，剪力F与z轴负向角度θ为：

即上式为径向载荷F方向的标定公式。可按此公式的计算值作为径向载荷F方向的载荷标定值。式中：

E——安装梁材料的弹性模量，

μ——材料的泊松比，

r——安装梁头部圆截面半径，

ε_M1y＝(ε₃+με₄-ε₁-με₂)，

ε_M2z＝(ε₁₁+με₁₂+ε₁₃+με₁₄-ε₉-με₁₀-ε₁₅-με₁₆)，

ε_F2Sz＝(ε₆+ε₈-ε₅-ε₇)。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，所述安装梁结构为两个半圆柱体沿分割面拼接而的圆柱体，所述安装梁结构具有轴向载荷与径向载荷，其表面粘贴有应变计，其特征在于，所述载荷标定方法包括：

获取第一截面的第一应变、径向载荷以及轴向载荷，建立应变与轴向载荷的标定公式，基于径向载荷得到垂直分割面方向的法向弯矩分量，建立应变与法向弯矩分量的标定公式，其中所述第一截面是距离所述安装梁结构的端面第一预设长度的横截面；

获取第二截面的第二应变，基于所述径向载荷得到平行于所述分割面方向的平行弯矩分量以及平行于分割面方向的剪力分量，建立第二应变以及平行弯矩分量的标定公式、第二应变与所述剪力分量的标定公式，其中所述第二截面是距离所述安装梁结构的端面第二预设长度的横截面；

基于所述第一预设长度、所述第二预设长度、第二应变与平行弯矩分量的标定公式、第二应变与所述剪力分量的标定公式，建立径向载荷作用点的标定公式；

基于所述应变与法向弯矩分量的标定公式、所述第二应变以及平行弯矩分量的标定公式、所述径向载荷作用点的标定公式，建立径向载荷方向以及大小的标定公式。

2.如权利要求1所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，所述应变计包括两个呈直角连接的应变片。

3.如权利要求2所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，所述应变计在所述第一截面处布置于所述安装梁结构的外表面，并沿所述分割面对称布置，每个所述应变计的一个应变片与轴向平行。

4.如权利要求2所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，所述应变计在所述第一截面处布置于所述安装梁结构的外表面，并沿所述分割面对称布置，至少有两个所述应变计的一个应变片与轴向平行，至少有两个所述应变计的对称轴与轴向平行。

5.如权利要求3所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体距离分割面最远处的母线上。

6.如权利要求4所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体距离分割面最远处的母线上，至少有两个所述应变计位于所述半圆柱体的距离分割面处的母线上，其中，r为半圆柱体的半径。

7.一种航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定装置，所述装置其特征在于，包括：

弹性曲板，具有内侧与外侧，所述弹性曲板具有弯曲与展开两种状态，弯曲时，弹性曲板两边沿内侧的中心线卷曲，用于包覆圆柱体外表面，展开时，弹性曲板所述内侧展开的夹角大于180度；

弹性带，所述弹性带包括两条，安装于所述弹性曲板的内侧，弹性带的两端具有提供使两端连接与松开的环扣；

应变计，所述应变计按预设位置安装在弹性带上，当所述弹性曲板包覆圆柱体外表面时，所述弹性带的两端连接，所述应变计粘贴圆柱体外表面。

8.如权利要求7所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，所述应变计包括两个呈直角连接的应变片。

9.如权利要求8所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，所述弹性带包括第一弹性带与第二弹性带，在第一弹性带总长度的1/4,3/4处安装所述应变计，在第二弹性带总长度的0.18、0.25、0.32、0.68、0.75、0.82处安装所述应变计。

10.如权利要求9所述的航空发动机冗余型安装梁结构载荷标定方法，其特征在于，在第一弹性带上，所述应变计的其中一个应变片与所述弹性带平行；位于第二弹性带总长度的0.18、0.32、0.68、0.82处的应变计，其应变片与所述弹性带平行。