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飞机柔性蒙皮性能测试

机翼蒙皮作为飞机气动结构的重要部分,其性能质量关乎飞行安全。蒙皮相当于飞机的“皮肤”,多用于飞机机翼、机身等剖面结构上,蒙皮破损会导致飞机良好的气动性能被破坏,损伤部位强度下降,危及飞行安全。


某高校科研团队在风洞飞机柔性蒙皮测试实验中,通过光学应变测量系统研究机翼蒙皮在掠角7°时,攻角、风速、温度对其性能的影响,了解不同工况下机翼结构力学特性,得到改变温度、攻角、风速中单一变量条件下的离面位移结果(获得蒙皮变形、振动等模态参数信息),为提升飞机机翼性能提供了重要实验数据。

蒙皮.png

1、实验过程

科研团队在实验开始前,在机翼壳体表面敷上一层柔性材料蒙皮并加以固定,在柔性材料蒙皮的外表面制作散斑。调整机翼,使其后掠角为7°,将机翼固定于风洞内固定装置上,通过制动装置设定机翼攻角为-4°、0°,并在机翼内部黏贴加热装置。

QQ截图20220411112007.png

实验通过千眼狼光学应变测量系统(DIC)采集记录机翼初始状态,并分段记录三种风速下,后掠角为7°,攻角为-4°和0°的实时数据。同时采集记录在柔性材料蒙皮达到热平衡状态时,相同实验角度下应变数据。


实验开启风洞,风速缓慢升为30m/s。风速逐渐稳定后,进行高速采集;风速缓慢升至40m/s,逐渐稳定后,再次进行高速采集;风速缓慢升至45m/s,逐渐稳定后,进行高速采集。加热热平衡状态下实验布置如上所述重复操作。


2、实验数据分析


由于高速采集过程均在机翼处于稳定状态下进行,处理初始阶段,30m/S、40m/S和45m/S风速下各选择所采集的若干帧图像中的三帧图像做计算。初始阶段的一帧图像作为参考图,其余两帧用于衡量环境、系统所引起的误差,三个风速下各选一帧与初始阶段一帧对比。

QQ截图20220411131200.png

数据处理时,以测量系统中“选择原点”建立坐标系,得到右手系且都是以初始状态下机翼表面对称中心为原点,沿机翼纵向向下为x正向,离面向内为z正向。机翼离面位移为正表示机翼降,离面位移为负表示机翼升。接着对除作为参考的那些数据相对参考图移除刚体位移,按划分区域的网格点导出云图上每个网格点处的离面位移、全场离面位移最大及最小值,三个风速下其他两帧的结果可以与选中的一帧对比作为机翼处于稳定状态的证明。


3、实验分析结果

①风洞开启后,机翼柔性材料蒙皮局部会有鼓包、凹陷。

QQ截图20220411131747.png

表格1  常温下各组数据

QQ截图20220411131756.png

表格2  加热热平衡状态下各组数据


②后掠角7°时攻角对机翼柔性材料蒙皮性能的影响

通过表格1、2数据分析得到:温度、风速、后掠角相同情况下,攻角为0°时,离面位移标准差最小,表明此时材料变形较为均匀;离面位移最值最小,表明材料表面局部鼓包最小;最大与最小离面位移差值最小,表明材料表面最大变形量较小。由此可得在攻角为0°时,材料性能表现得最优。


③后掠角7°时温度对机翼柔性材料蒙皮性能的影响

对比观察表格1、2数据分析可以得到:攻角、风速、后掠角相同情况下,加热热平衡状态下机翼柔性材料表面离面位移标准差较大,表明此时材料变形更不均匀;离面位移最值较大,表明材料表面局部鼓包较大;最大与最小离面位移差值偏大,表明材料表面最大变形量较大。由此可得在常温下,材料性能表现得更优。


④后掠角7°时风速对机翼柔性材料蒙皮性能的影响

分别观察表格1、2每一列可以得到:温度、攻角、后掠角相同时,风速越小,离面位移标准差越小,表明此时材料变形越均匀;离面位移最值越小,表明材料表面局部鼓包越小;最大与最小离面位移差值越小,表明材料表面最大变形量越小。由此可得在风速为30米每秒时,材料性能表现得最优。


总结

通过风洞柔性材料蒙皮测试实验,进一步了解机翼蒙皮性能,实现机翼的多种变形检测,增强飞机机动能力,适应不同环境和任务下飞行需求。飞机制造依赖于关键部件的质量把控,为了飞行安全各零部件设计及材料应变测试,需要借助先进的测量与分析方法,将实验数据应用于优化制造设计中。


千眼狼光学应变测量系统替代传统的应变片和引伸计的测量方法,以一种高精度、非接触式、可视化全场测量的方式,助力我国航空制造业快速发展。


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