“單腿式”支持夾具設(shè)計(jì)

摘 要：某型飛機(jī)為了考核飛機(jī)機(jī)翼接頭、起落架安裝接頭和機(jī)身剛架的強(qiáng)度，要求采用單側(cè)機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭支持固定，即“單腿式”支持。本文介紹了飛機(jī)靜力試驗(yàn)“單腿式”支持形式的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瓮仁剑混o力試驗(yàn)；支持形式

1 引言

夾具作為機(jī)械制造業(yè)中的一種重要的工藝裝備，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和研制周期。縮短夾具設(shè)計(jì)周期，提高夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量是提高企業(yè)快速反應(yīng)能力的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。夾具設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)者具備關(guān)于設(shè)計(jì)問(wèn)題的大量、全面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

某型飛機(jī)為了考核飛機(jī)機(jī)翼接頭、起落架安裝接頭和機(jī)身剛架的強(qiáng)度，要求采用單側(cè)機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭支持固定，這就相當(dāng)于一個(gè)人單腿站立，簡(jiǎn)稱(chēng)為“單腿式”支持。

2 試驗(yàn)件的支持條件和夾具設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題

根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，靜力試驗(yàn)中試驗(yàn)件的支持方式的確定以及支持夾具的設(shè)計(jì)主要從以下四個(gè)方面來(lái)考慮。

2.1 支持形式

在實(shí)物試驗(yàn)中，支持形式和真實(shí)的一樣。

利用假件作為傳力構(gòu)件時(shí)，假件與試驗(yàn)件的連接形式也要保持真實(shí)。傳力時(shí)，允許在確定的加載點(diǎn)加集中力，以代替某個(gè)平面內(nèi)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(gè)力不建議合成一個(gè)斜力來(lái)加，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的變形會(huì)影響斜力的方向，從而影響了它在兩個(gè)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(shí)結(jié)構(gòu)的剛度是比較困難的。一般情況下，夾具剛度要比飛機(jī)真實(shí)結(jié)構(gòu)的剛度大。

a） 支持是靜定的，可以認(rèn)為剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。b） 支持是靜不定的，盡量使夾具上幾個(gè)支持點(diǎn)的剛度比大致與原結(jié)構(gòu)各個(gè)支持點(diǎn)的剛度比相同，這樣對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響就小些。c） 對(duì)于有特殊剛度要求的支持點(diǎn)，或原結(jié)構(gòu)中剛度相差十分懸殊的幾個(gè)支持點(diǎn)，在夾具設(shè)計(jì)與安裝時(shí)必須考慮。例如，把假發(fā)動(dòng)機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)架上時(shí)也相應(yīng)的裝上減震墊，這固然體現(xiàn)了支持的“真實(shí)性”，同時(shí)也為了模擬剛度。d） 夾具和試驗(yàn)件在連接處剛度相差很大是不合適的，這時(shí)在連接處局部應(yīng)力很大，容易提前破壞。因此，即使在支持形式上“真實(shí)”了還不夠，還必須考慮邊界效應(yīng)，避免在連接處應(yīng)力過(guò)分失真。

2.3 保證支反力相同

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

2.4 夾具設(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)的選取

由于在試驗(yàn)時(shí)必須保證夾具不應(yīng)比試驗(yàn)件先破壞，也不希望有較大的變形，這就要求我們?cè)趭A具設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并選取較大的安全系數(shù)。

a） 不進(jìn)行破壞試驗(yàn)的、夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度校核比較可靠的，對(duì)剛度沒(méi)有什么特殊要求的，這種情況安全系數(shù)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(shù)取得大一些，一般取4就可以了。b） 當(dāng)要求支持形式“真實(shí)” 性和選取安全系數(shù)有矛盾時(shí)，應(yīng)首先滿足支持“真實(shí)”性的要求。在這個(gè)基礎(chǔ)上選取盡可能大的安全系數(shù)，不能因安全系數(shù)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(qiáng)度問(wèn)題。d） 在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，還必須注意加工與安裝的方便，對(duì)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(jìn)行精加工。而那些連接處，如和起落架相連的連接接頭，其結(jié)合面必須達(dá)到和飛機(jī)接頭同等的精度，有時(shí)為了提高強(qiáng)度，還得用高強(qiáng)度合金鋼制作接頭。各接頭間的相互位置也必須十分準(zhǔn)確，否則就可能裝不上試驗(yàn)件或裝上后試驗(yàn)件的初應(yīng)力很大。

3 “單腿式”支持

3.1 “單腿式”支持的特點(diǎn)

a） 夾具設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜，選材要求高，造價(jià)昂貴。“單腿式”支持夾具既要模擬機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接機(jī)頭，又要保證夾具能有足夠的強(qiáng)度與剛度承受飛機(jī)的不平衡載荷，因此“單腿式”支持形式比較復(fù)雜，機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接區(qū)接頭工藝要求高，選材要求高，夾具設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造難度較大，精度要求高，對(duì)加工設(shè)備的規(guī)模要求也較高，造價(jià)昂貴。b） 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)支持難度比較大，對(duì)試驗(yàn)安裝人員的要求高。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，為了保證飛機(jī)能正確、安全的安裝，安裝工人必須要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)安裝的程序應(yīng)事先做好詳盡分析、周密考慮及充分準(zhǔn)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能遇到的問(wèn)題應(yīng)做好預(yù)案。

3.2 “單腿式”支持夾具設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮如何使夾具與試驗(yàn)件上的機(jī)身-機(jī)翼接頭對(duì)接。我們可以模擬各框機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭的真實(shí)形式，并通過(guò)一根橫梁將各框接頭按照真實(shí)的位置分布進(jìn)行定位固定。橫梁與兩根立柱通過(guò)地腳螺栓對(duì)接，固定在試驗(yàn)室的承力地軌上。如圖1所示。

設(shè)計(jì)機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭時(shí)，應(yīng)完全模擬機(jī)翼接頭的真實(shí)形狀與尺寸，并要保證各接頭的相對(duì)位置，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書(shū)給出的載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核并確定接頭材料。由于該支持是單腿式，飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架接頭受載后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的附加彎矩、扭矩，這些附加的彎矩、扭矩會(huì)對(duì)機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭和橫梁有一個(gè)非常嚴(yán)重的考驗(yàn)，而機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭又要模擬真實(shí)的形狀和尺寸，所以機(jī)身-機(jī)翼對(duì)接接頭就必須選擇高強(qiáng)度的合金鋼。

橫梁設(shè)計(jì)時(shí)，一般將兩根槽鋼通過(guò)連接板面對(duì)面的焊接起來(lái)，形成一個(gè)盒形構(gòu)件，這樣可以保證橫梁有足夠的強(qiáng)度與剛度。但即使采用強(qiáng)度最高的合金鋼，橫梁仍無(wú)法承受單腿支持帶來(lái)的巨大的附加彎矩、扭矩，而且合金鋼的造價(jià)非常昂貴。為了平衡這一附加彎矩、扭矩，節(jié)約試驗(yàn)成本、節(jié)省試驗(yàn)周期，可以在此基礎(chǔ)上利用試驗(yàn)室的通用設(shè)備進(jìn)行改裝。如圖2所示，利用試驗(yàn)室的通用設(shè)備立柱和壓梁搭建一個(gè)龍門(mén)架，龍門(mén)架通過(guò)多個(gè)地腳螺栓固定在試驗(yàn)室的承力地軌上。在橫梁主要承力區(qū)域的兩側(cè)，通過(guò)四個(gè)三角形的加強(qiáng)件將橫梁與龍門(mén)架相連成一體。這樣，附加彎矩、扭矩就通過(guò)龍門(mén)架傳遞到了地軌上，夾具由比較集中的對(duì)接接頭、橫梁受力轉(zhuǎn)化成了多個(gè)地腳螺栓分散受力。

試驗(yàn)時(shí)，為了防止立柱滑動(dòng)，每個(gè)立柱都要在其受力的反方向拉保險(xiǎn)，并用壓梁頂住立柱底部。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，“單腿式”支持方式可以滿足飛機(jī)靜力試驗(yàn)要求，特別是利用試驗(yàn)室現(xiàn)有的通用設(shè)備達(dá)到了試驗(yàn)任務(wù)書(shū)的要求，既節(jié)約了研制成本、又節(jié)省了研制周期，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。