一种虑及测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法

技术领域

本发明属于飞行器发动机矢量推力测量技术领域，涉及测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法，可实现推力测试装置中多个传感结构不同数量、布局下测试装置整体角度偏转计算，对布局进行优化，提高推力测试精度。

背景技术

随着科技进步和航空技术的高速发展，对新一代航空飞行器提出了更高的要求，因此需要能够产生大幅值矢量推力的发动机来帮助飞行器实现操作能力。发动机矢量力的测量普遍采用在发动机多面(>3)布置单分量传感器的测量方式，限制发动机的六个自由度，实现矢量力的测量。

然而，由于各测点传感结构矢量力的方向、大小不同，会使得系统中不同位置的传感结构受到的力值不同，同样产生的三向变形也会有偏差，造成发动机的理论轴线与基准轴线之间产生偏斜，导致力测量产生误差。传感结构布局位置以及数量对于测试装置整体角度偏转及稳定性具有重要影响。因此，对于传感结构数量及布置位置进行优化尤为重要。

在目前的布局优化方法中，仅考虑了力作用点及力值求解问题。该方法通常假设刚性条件下，不存在结构变形，通过对比不同布局下力参数的求解难度，对布置方式进行优化。但在矢量力作用过程中，发动机会轴线偏斜会使得力分配产生变化，力测量方向与理想测量方向产生偏斜，产生各方向力输出之间产生交叉，该现象对于力参数的求解不可忽略。为此，亟需一种能够考虑测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种虑及测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法。首先建立矢量推力输入与各点传感结构受力之间的关系模型，获取传感结构部分理论输出值，根据传感结构各向刚度规律计算得到其三向变形，结合传感结构所在位置坐标，计算得到测试装置整体角度偏转规律。对比不同布置方式和数量的传感结构下发动机轴线偏斜程度，以轴线偏转角度最小为目标，实现传感结构的布局优化。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种虑及测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法，所述传感结构布局优化方法基于测试装置实现，测试装置包括发动机、动架、传感结构与定架四部分。首先将输入矢量力分解为三个方向分力，建立单方向力作用下各传感结构受力分配模型，进而通过传感结构的刚度异性规律，计算得到三个方向变形。结合每个传感结构的位置坐标，建立传感结构变形与发动机整体轴线偏斜影响关系，即可获取该种数量的传感结构以及布置位置状态下发动机轴线偏斜大小，以此方法分别对比不同数量以及布置方式下测试装置整体角度偏转大小，获取测试装置整体角度偏转最小的传感结构布局方式。

具体步骤如下：

第一步：建立矢量力作用下测试装置的力分配关系

所述的测试装置主要包括发动机、动架、传感结构与定架四部分。其中定架固定。所述发动机为被测体，与动架固定连接，两者之间不产生位移。所述的动架为发动机支撑，内侧与发动机固定，外侧与传感结构连接。所述传感结构按照一定规律布置于动架与定架之间，每个传感结构中间含有一个单向力传感器，用来测量发动机所受外力。测试装置一端放置一个矢量力施加装置，用来产生标准合力，合力可分解为三个方向分力。定义发动机轴向为X方向，竖直方向为Z方向，水平方向为Y方向。在Z方向布置3个传感结构①、②、③，轴向X方向放置2个传感结构④、⑤，水平Y方向放置1个传感结构⑥。为获取矢量力作用下各测点传感结构受力规律，需计算单方向力作用下每个传感结构的力分配关系。将每个传感结构布置位置处的传感结构按照各方向刚度进行拆分组合，具体的：将发动机与动架简化成发动机等效刚体模型，传感结构①、②、③、④分辨简化成三个方向等效弹性支撑，每个弹性支撑只能感受轴向力，传感结构⑤和传感结构⑥等效成一个位置的三个弹性支撑。当有一个力F作用在发动机A出口端，首先将该力F分解成沿坐标轴方向的三个力分别求解当三个方向力作用时，每个传感结构所能感受到的三个方向作用力。即简化为三个方向单向支点，每个单向支点仅承受法向力不承受切向力。通过空间力-力矩平衡原理以及刚体旋转规律，建立多元方程组，计算单向力作用下每个单向支点的三个支撑的接触力。根据各测点刚度组合规律，即可计算出测点刚度简化前每个传感结构自由端三个方向力值。

计算公式如式(1)所示。

其中，i＝1、2、…、n，表示每个位置的等效弹性支承；j＝x,y,z表示等效弹性支承受力方向；F

第二步：计算各测点传感结构变形以及发动机轴线偏斜

根据所计算得到的不同位置的传感结构所受到的力值，记为F

其中，α

第三步：传感结构多中布局优化

根据所计算得到的矢量力作用下测试装置整体偏转角度，对传感结构布局进行优化。首先固定传感结构数量，改变传感结构布置位置坐标，以及三个方向布置数量，对发动机轴线偏转角度进行计算；其次，增加或者减少传感结构数量，同样通过第一步和第二步的计算过程，计算得到发动机轴线偏转角度。计算每一种布局形式下发动机轴线偏转程度，进行对比，选取测试装置整体偏转角度最小、稳定性最好的传感结构布局形式。

本发明的有益效果：

(1)本发明针对矢量发动机推力测量装置在受到矢量力作用下发动机测试装置整体发生偏转的问题，通过建立矢量力输入与各位置传感结构受力关系模型，获取传感结构自由端承受三向力分量，结合传感结构三向刚度规律，可计算得到每个测点的传感器结构变形，进而得到发动机轴线偏转程度，通过计算不同传感结构数量和布局下的轴线偏斜，即可得到最优的布局方式。

(2)本方法分析了发动机测试过程中误差产生原因，即发动机轴线受力下产生了偏斜，建立了传感结构布局与轴线偏斜的关系模型，综合考虑了测试过程中的发动机状态变化，解决了其他方法中误差因素考虑不全、优化过程复杂等问题，提高了测试稳定性，增加了测试精度。

附图说明

图1为优化方法流程图。

图2为矢量力测试装置及传感结构布局示意图。

图3为测量装置刚度等效示意图。

图中：①，②，③为测试系统Z方向传感结构；④，⑤为测试系统X方向传感结构；⑥为测试系统Y方向传感结构；1x,1y,1z为为位置1三个方向等效支撑；2x,2y,2z为为位置2三个方向等效支撑；3x,3y,3z为为位置3三个方向等效支撑；4x,4y,4z为为位置4三个方向等效支撑；5x,5y,5z为为位置5三个方向等效支撑；A为模拟发动机模型；B为动架结构；OXYZ为全局坐标系；C为发动机理论轴线；D为发动机偏转后轴线；E为发动机等效刚体模型。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

一种虑及测试装置整体角度偏转的传感结构布局优化方法，所述传感结构布局优化方法基于测试装置实现，测试装置包括发动机、动架、传感结构与定架四部分。本实施例以采用6个传感结构的测试系统为例：

第一步：建立矢量力作用下力分配关系

定义发动机轴向为X方向，竖直方向为Z方向，水平方向为Y方向。在Z方向布置3个传感结构①、②、③，保证测试台架悬挂稳定，轴向X方向放置2个传感结构④、⑤，用于承担校大的轴向力，水平Y方向放置1个传感结构⑥，用于测量Y方向力。将图2中测试结构简化成图3中模型，发动机A与动架B简化成发动机等效刚体模型E，传感结构①、②、③、④分辨简化成三个方向等效弹性支撑，每个弹性支撑只能感受轴向力，传感结构⑤和传感结构⑥等效成一个位置的三个弹性支撑。当有一个力F作用在发动机A出口端，首先将该力F分解成沿坐标轴方向的三个力分别求解当三个方向力作用时，每个传感结构所能感受到的三个方向作用力。

当Fx单独作用时，可根据公式(3)计算得到。

当Fy单独作用时，可根据公式(4)计算得到。

当Fz单独作用时，可根据公式(5)计算得到。

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第二步：计算各测点传感结构变形以及发动机轴线偏斜

每个位置等效支撑受力计算完成后，将等效支撑进行还原，并且根据合成刚度比进行力值分配。即可得到测试结构中每个传感结构所受到的三向力值。基于传感结构的刚度异性规律，通过计算得到的每个位置传感结构所受到的三向力值，即可计算得到每个传感结构与动架连接端的变形量。以传感结构位置坐标为参数，通过公式(6)可计算得到测试装置整体偏转角度。

第三步：传感结构多种布局优化

改变传感结构数量和布置位置，同样通过上述过程对测试布局进行分析，以测试装置整体偏转角度最小为目标，选出最优的布局形式。

本方法通过分析测试装置的力传递机理，建立力流传递模型，获取每个传感结构与动架连接端受到的三个方向的力值，基于传感结构刚度异性规律，得到每个位置传感结构的三向变形，进而计算得到发动机轴线的偏移量以及偏斜角度，通过改变传感结构布局，计算每种情况下发动机轴线偏斜量，得到偏斜最小的布局形式，实现测试装置布局优化。分析了不同布局方式对测试的影响规律，溯源了测试误差的产生原因，解决了目前优化布局中因素考虑不全面的问题，从根源上对布局进行了优化，提高了测试装置转角与稳定性，降低了测试误差。

虽然，本发明做出了详细的描述，但并非仅用于上述情况。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下进行改变。本方法也可以用于七个传感结构、八个传感结构等情况的优化布局使用。因此，对技术所作的增加及本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。