“單腿式”支持夾具設計

摘 要：某型飛機為了考核飛機機翼接頭、起落架安裝接頭和機身剛架的強度，要求采用單側機身-機翼對接接頭支持固定，即“單腿式”支持。本文介紹了飛機靜力試驗“單腿式”支持形式的特點及其設計的細節。

關鍵詞：單腿式；靜力試驗；支持形式

1 引言

夾具作為機械制造業中的一種重要的工藝裝備，直接影響產品的質量和研制周期。縮短夾具設計周期，提高夾具的設計質量是提高企業快速反應能力的一個關鍵環節。夾具設計過程是一個基于經驗的機械結構設計問題，需要設計者具備關于設計問題的大量、全面的知識和經驗。

某型飛機為了考核飛機機翼接頭、起落架安裝接頭和機身剛架的強度，要求采用單側機身-機翼對接接頭支持固定，這就相當于一個人單腿站立，簡稱為“單腿式”支持。

2 試驗件的支持條件和夾具設計的有關問題

根據多年工程經驗，靜力試驗中試驗件的支持方式的確定以及支持夾具的設計主要從以下四個方面來考慮。

2.1 支持形式

在實物試驗中，支持形式和真實的一樣。

利用假件作為傳力構件時，假件與試驗件的連接形式也要保持真實。傳力時，允許在確定的加載點加集中力，以代替某個平面內力和力矩的作用，例如用Py力代替力Py和力矩Mx的作用。但是，互相垂直的兩個力不建議合成一個斜力來加，這是因為結構的變形會影響斜力的方向，從而影響了它在兩個方向上的分量。

2.2 支持剛度

要使夾具的剛度完全模擬真實結構的剛度是比較困難的。一般情況下，夾具剛度要比飛機真實結構的剛度大。

a） 支持是靜定的，可以認為剛度對試驗結果影響不大。b） 支持是靜不定的，盡量使夾具上幾個支持點的剛度比大致與原結構各個支持點的剛度比相同，這樣對試驗結果的影響就小些。c） 對于有特殊剛度要求的支持點，或原結構中剛度相差十分懸殊的幾個支持點，在夾具設計與安裝時必須考慮。例如，把假發動機裝在發動機架上時也相應的裝上減震墊，這固然體現了支持的“真實性”，同時也為了模擬剛度。d） 夾具和試驗件在連接處剛度相差很大是不合適的，這時在連接處局部應力很大，容易提前破壞。因此，即使在支持形式上“真實”了還不夠，還必須考慮邊界效應，避免在連接處應力過分失真。

2.3 保證支反力相同

有時支持形式“真實”了，也考慮了邊界效應，但也可能保證不了相同的支反力，要特別注意成對出現或漏掉的內力和力矩。

2.4 夾具設計時安全系數的選取

由于在試驗時必須保證夾具不應比試驗件先破壞，也不希望有較大的變形，這就要求我們在夾具設計時進行強度校核，并選取較大的安全系數。

a） 不進行破壞試驗的、夾具結構簡單、強度校核比較可靠的，對剛度沒有什么特殊要求的，這種情況安全系數可取的小一些，一般取2.5～3就夠了：在相反的情況，安全系數取得大一些，一般取4就可以了。b） 當要求支持形式“真實” 性和選取安全系數有矛盾時，應首先滿足支持“真實”性的要求。在這個基礎上選取盡可能大的安全系數，不能因安全系數不夠而隨意改變支持形式。c） 特別要注意夾具上的一些局部強度問題。d） 在夾具設計時，還必須注意加工與安裝的方便，對于一般的底座、支架，往往由普通型材和板材焊接制成，也不一定要進行精加工。而那些連接處，如和起落架相連的連接接頭，其結合面必須達到和飛機接頭同等的精度，有時為了提高強度，還得用高強度合金鋼制作接頭。各接頭間的相互位置也必須十分準確，否則就可能裝不上試驗件或裝上后試驗件的初應力很大。

3 “單腿式”支持

3.1 “單腿式”支持的特點

a） 夾具設計和制造復雜，選材要求高，造價昂貴。“單腿式”支持夾具既要模擬機身-機翼對接機頭，又要保證夾具能有足夠的強度與剛度承受飛機的不平衡載荷，因此“單腿式”支持形式比較復雜，機身-機翼對接區接頭工藝要求高，選材要求高，夾具設計復雜，制造難度較大，精度要求高，對加工設備的規模要求也較高，造價昂貴。b） 試驗現場支持難度比較大，對試驗安裝人員的要求高。

現場試驗時，為了保證飛機能正確、安全的安裝，安裝工人必須要有豐富的實踐經驗。對安裝的程序應事先做好詳盡分析、周密考慮及充分準備，對現場可能遇到的問題應做好預案。

3.2 “單腿式”支持夾具設計

夾具設計時，首先要考慮如何使夾具與試驗件上的機身-機翼接頭對接。我們可以模擬各框機身-機翼對接接頭的真實形式，并通過一根橫梁將各框接頭按照真實的位置分布進行定位固定。橫梁與兩根立柱通過地腳螺栓對接，固定在試驗室的承力地軌上。如圖1所示。

設計機身-機翼對接接頭時，應完全模擬機翼接頭的真實形狀與尺寸，并要保證各接頭的相對位置，應根據試驗任務書給出的載荷進行強度校核并確定接頭材料。由于該支持是單腿式，飛機機身、機翼、起落架接頭受載后會產生一個巨大的附加彎矩、扭矩，這些附加的彎矩、扭矩會對機身-機翼對接接頭和橫梁有一個非常嚴重的考驗，而機身-機翼對接接頭又要模擬真實的形狀和尺寸，所以機身-機翼對接接頭就必須選擇高強度的合金鋼。

橫梁設計時，一般將兩根槽鋼通過連接板面對面的焊接起來，形成一個盒形構件，這樣可以保證橫梁有足夠的強度與剛度。但即使采用強度最高的合金鋼，橫梁仍無法承受單腿支持帶來的巨大的附加彎矩、扭矩，而且合金鋼的造價非常昂貴。為了平衡這一附加彎矩、扭矩，節約試驗成本、節省試驗周期，可以在此基礎上利用試驗室的通用設備進行改裝。如圖2所示，利用試驗室的通用設備立柱和壓梁搭建一個龍門架，龍門架通過多個地腳螺栓固定在試驗室的承力地軌上。在橫梁主要承力區域的兩側，通過四個三角形的加強件將橫梁與龍門架相連成一體。這樣，附加彎矩、扭矩就通過龍門架傳遞到了地軌上，夾具由比較集中的對接接頭、橫梁受力轉化成了多個地腳螺栓分散受力。

試驗時，為了防止立柱滑動，每個立柱都要在其受力的反方向拉保險，并用壓梁頂住立柱底部。

4 結語

試驗結果表明，“單腿式”支持方式可以滿足飛機靜力試驗要求，特別是利用試驗室現有的通用設備達到了試驗任務書的要求，既節約了研制成本、又節省了研制周期，具有較大的實際應用價值。