李家旭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2011-5640-7438

摘? 要：本文對操縱面間隙測量方法和間隙對動氣彈特性的影響進(jìn)行了研究。指出現(xiàn)行測量方法的不足，提出通過加載曲線判定的間隙測量方法，及基于地面操縱面旋轉(zhuǎn)模態(tài)測試試驗(yàn)的間隙等效評估方法，基于諧波平衡法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬。并利用Nastran軟件進(jìn)行了考慮間隙非線性的顫振分析，研究表明，間隙會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頻率降低，影響顫振特性，并導(dǎo)致極限環(huán)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：間隙測量? 加載自由間隙? 漸進(jìn)力法? 諧波平衡法? 極限環(huán)

中圖分類號：V215.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0007-04

Research on Gap Measurement Methods and the Effect of Gap Nonlinearity on Kinetic Aeroelastic Characteristics

LI Jiaxu

（Shaanxi Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.， Hanzhong， Shaanxi Province， 723213 China）

Abstract： This paper studies the control surface clearance measurement method and the effect of clearance on the dynamic aeroelastic characteristics. The shortcomings of the current measurement methods are pointed out， the gap measurement method judged by the loading curve and the gap equivalent evaluation method based on the ground control surface rotation modal test are proposed. The test results are simulated based on the harmonic balance method. And use Nastran software to conduct flutter analysis considering the gap nonlinearity. The research shows that the gap will reduce the rotation frequency， affect the flutter characteristics， and lead to the phenomenon of limit cycles.

Key Words： Gap measurement; Loading free gap; Progressive force method; Harmonic balance method; Limit cycle

操縱面間隙一般是指在作動器供壓情況下，操縱面在中立位置可上下或左右晃動的間隙范圍[1]。操縱面間隙一般不會導(dǎo)致發(fā)散，但會導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)磨損，旋轉(zhuǎn)頻率降低，引起結(jié)構(gòu)振動加劇，引起極限環(huán)振蕩問題，從而造成飛行安全隱患[2]。因此準(zhǔn)確測量飛機(jī)操縱面間隙、研究間隙影響，對于評估飛機(jī)安全性能具有十分重要的意義。

1? 間隙測量方法研究

操縱面間隙測量一般可分為自由間隙測量和在預(yù)載間隙測量。自由間隙為操縱面零載荷情況下的活動間隙，不包括操縱面的彈性變形。預(yù)載作用下的間隙為在操縱面上施加某一大小的力（矩）時(shí)測得的間隙，因?yàn)轭A(yù)載力（距）的作用，操縱面會產(chǎn)生一定的彈性變形。國軍標(biāo)中對操縱面間隙的規(guī)定均為自由間隙值。

1.1 自由間隙測量方法

自由間隙測量一般可以采用“加載—位移曲線”間隙測量法。通過對操縱面正反兩個(gè)方向的加載、卸載，并測量其在相應(yīng)載荷下的位移值，繪制操縱面的“加載-位移曲線”，根據(jù)“加載-位移曲線”便可得到零載荷作用下的間隙位移。在理想狀態(tài)下（無阻尼和能量損耗），操縱面加載與卸載曲線完全重合，其加載-位移曲線如圖1。實(shí)際上，由于阻尼等因素的影響，加載和卸載曲線不可能完全重合，其加載-位移曲線如圖2。

由于加載曲線和卸載曲線不能完全重合，在加載-位移曲線上既可以通過加載曲線得到加載過程中的自由間隙，也可以通過卸載曲線得到卸載過程中的自由間隙。由于目前沒有明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對操縱面自由間隙作出具體規(guī)定，主要有如下幾種。

（1）加載自由間隙。

通過加載得到自由間隙曲線，通過對加載曲線線性段延長后與位移坐標(biāo)軸的交點(diǎn)作為零載荷時(shí)的間隙位移。

（2）卸載自由間隙。

通過卸載得到自由間隙曲線，其零載荷時(shí)的間隙位移可通過以下兩種方法確定。

通過對卸載曲線線性段延長與位移坐標(biāo)軸的交點(diǎn)作為零載荷時(shí)的間隙位移;直接以卸載曲線與位移坐標(biāo)軸的交點(diǎn)作為零載荷時(shí)的間隙位移。

（3）加載-卸載自由間隙。

加載-卸載自由間隙測量方法是通過某一方向的加載曲線和相反方向的卸載曲線獲得操縱面自由間隙的方法[3]，此方法可獲得兩個(gè)方向的加載-卸載自由間隙，如圖3所示。由于操縱面在兩個(gè)運(yùn)動方向上的阻尼大小可能存在差異，采用此方法測得的兩個(gè)方向上的加載-卸載自由間隙也可能會存在差異。

1.2 預(yù)載作用下的間隙測量方法

預(yù)載作用下的間隙測量方法為在操縱面上施加某一大小的載荷，分別測量其在正向加載和反向加載情況下的間隙位移值，兩個(gè)方向間隙相加為總間隙值。下面以C-130飛控系統(tǒng)維護(hù)指南中給出的升降舵操縱面測量方法為例對預(yù)載作用下的間隙測量方法進(jìn)行說明。

C-130飛控系統(tǒng)維護(hù)指南中采用在操縱面后緣施加12b（1b=0.454kg）的載荷，測量操縱面正反兩個(gè)方向的間隙值之和，其加載點(diǎn)和測量點(diǎn)的位置如圖4。

具體測量步驟如下：

（1）首先要保證升降舵和操縱面在初始位置。（注釋：為了進(jìn)行測量需要一條具有0.01 in或1/64 in刻度的鋼尺，一臺能指示12～50b之間的彈簧秤，一個(gè)3 in長的小木塊或者其他類似物）。

（2）將鋼尺垂直于升降舵外緣邊線安裝于升降舵外緣上，并靠近操縱面外緣處。

（3）用一只手抓著操縱面的外緣，輕輕搖動幾次，然后放開。讀取操縱面靠近鋼尺上的刻度，將這個(gè)讀取結(jié)果作為0偏差位置，以此為基準(zhǔn)測量后續(xù)加載后的上下的偏差。

（4）在操縱面外緣邊線上找到內(nèi)側(cè)拉桿中軸線的投影點(diǎn)。在該點(diǎn)處使用彈簧秤施加向下的載荷，木塊用來使集中載荷變?yōu)榫驾d荷。木塊應(yīng)在距離操縱面外邊緣1英寸范圍內(nèi)。

（5）在彈簧秤下方施加向下12b的載荷，在鋼尺上讀取操縱面靠近鋼尺角點(diǎn)的刻度作為向下偏移量。

（6）在同一點(diǎn)用相同方法施加向上12b的載荷，并測量確定操縱面角點(diǎn)向上的偏移量。

（7）將向上偏移量和向下偏移量相加的和作為升降舵操縱面的總偏移量。

（8）重復(fù)（3）到（7）的過程。比較第一次與第二次得到的總偏移量。第二次測量結(jié)果應(yīng)該和第一次測量結(jié)果相差在0.03 in或者1/32 in內(nèi)。

（9）若第二次測量結(jié)果滿足要求，則取兩次測量的平均值作為操縱面總的間隙測量結(jié)果。

C-130運(yùn)輸機(jī)升降舵操縱面展長超過支持它的操縱面展長的35%，若按國軍標(biāo)規(guī)定其最大自由間隙為0.57°，但其飛控系統(tǒng)維護(hù)指南中對升降舵操縱面規(guī)定的最大允許間隙為1.15°，超過國軍標(biāo)要求。這是因?yàn)榇朔椒y量的操縱面間隙為預(yù)載作用下的間隙，包括結(jié)構(gòu)的彈性變形，因此其允許的最大間隙大于國軍標(biāo)規(guī)定的自由間隙[4]。

1.3 操縱面間隙測量數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行了某操縱面間隙測量，方法為在操縱面外緣施加從0逐漸增加至50 N的力，記錄0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 N情況下操縱面后緣的位移值;再將加載力從50 N逐漸減小到0 N，記錄50、45、40、35、30、25、20、15、10、5、0 N情況下的位移值。將施加載荷反向，重復(fù)上述過程。測量共進(jìn)行3次。對比分析自由間隙和預(yù)載作用下的間隙測量結(jié)果。測量結(jié)果見表1。

由表1可知，40N預(yù)載間隙>卸載自由間隙a>卸載自由間隙b>加載自由間隙。4606架機(jī)方向舵操縱面40N預(yù)載作用下間隙大約為卸載自由間隙a的2.16倍，卸載自由間隙a大約為卸載自由間隙b的2.38倍，卸載自由間隙a大約為加載自由間隙的3.62倍。

1.4 測量方法可行性分析

目前，操縱面活動間隙其技術(shù)條件規(guī)定的測量方法為在操縱面后緣分別施加向左和向右39.2N力，然后在測量點(diǎn)處測量操縱面活動間隙，總間隙值為向左和向右加載測量值之和。此種測量方法與C-130飛控系統(tǒng)維護(hù)指南中規(guī)定方法相同，測量結(jié)果為預(yù)載作用下的間隙值，包含結(jié)構(gòu)的彈性變形，而國軍標(biāo)規(guī)定的最大間隙值為自由間隙，不包含結(jié)構(gòu)的彈性變形，仍按國軍標(biāo)要求進(jìn)行評估會使得評估標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格。

加載間隙測量方法考慮了加載時(shí)由于間隙和摩擦引發(fā)的間隙偏移量，且比卸載測量方法更能消除摩擦[5]，因此對間隙的處理應(yīng)為：

（1）按加載間隙測量方法進(jìn)行。

（2）按規(guī)定的測量方法，最大允許間隙值應(yīng)在國軍標(biāo)規(guī)定值基礎(chǔ)上借鑒C-130飛控系統(tǒng)維護(hù)指南的經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)放寬。

2? 基于地面操縱面旋轉(zhuǎn)模態(tài)測試試驗(yàn)的間隙等效評估方法

由于間隙非線性的存在，導(dǎo)致操縱面旋轉(zhuǎn)模態(tài)難以識別和確認(rèn)。為了克服操縱面的非線性因素的不利影響，在測試操縱面模態(tài)時(shí)采用漸進(jìn)力法進(jìn)行。其原理是在對于間隙不大的情況，用增加激振力的方式可繪制出激振力-頻率曲線，從而獲得操縱面旋轉(zhuǎn)頻率，該曲線的穩(wěn)定頻率即為克服了間隙、摩擦的模態(tài)頻率[6]。典型測試結(jié)果見圖5。在工程上對帶有間隙型非線性顫振的求解方法主要有諧波平衡法，其主要思路是根據(jù)非線性系統(tǒng)的近似諧波性，認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)動的一階諧波占主要成分， 建立了間隙與當(dāng)量剛度系數(shù)δ的數(shù)學(xué)模型，見圖6，從而將非線性問題轉(zhuǎn)化為等效線性問題的一種近似處理方法。

基于等效線化處理結(jié)構(gòu)非線性獲得相應(yīng)的振動特性;然后再通過非定常氣動力計(jì)算、頻域顫振計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的顫振特性，該翼面組合下的顫振速度隨幅值間隙比的增大而逐漸增大，這是由于幅值間隙比的增大導(dǎo)致操縱面旋轉(zhuǎn)剛度逐漸增大，使得操縱面旋轉(zhuǎn)頻率逐漸增大，與主翼面彎曲模態(tài)的差距逐漸增大，從而顫振速度逐漸增大，同時(shí)顫振頻率逐漸升高?？紤]間隙的顫振表現(xiàn)為極限環(huán)。

3? 結(jié)語

通過對間隙測量方法的研究，指出現(xiàn)有測量方法的不足，并提出采用加載自由間隙測量方法或漸進(jìn)力法GVT測試等方法。并對間隙引發(fā)的非線性問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，間隙引發(fā)剛度降低及極限環(huán)運(yùn)動。

參考文獻(xiàn)

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