民用飛機鐵鳥機翼外段研究

陳騏 王興波 金學良 吳強 曾憲忠

摘 要：鐵鳥是民用飛機研制過程中關鍵試驗設施之一，主要用于民用飛機單系統及復雜交聯系統的研發和適航驗證，是集成試驗的重要組成部分。該文介紹了從滿足鐵鳥機翼外段的基本設計要求出發，綜合考慮設計基準、尺寸設計要求，材料選擇、安裝設計要求等因素，在設計與驗證階段，進行了自振頻率計算、靜強度計算等優化設計。完成鐵鳥加工制造并開展了副翼舵面的頻響試驗，滿足設計要求，為后續試驗的開展和型號取證工作奠定良好基礎。

關鍵詞：鐵鳥 適航驗證 機翼外段 頻響試驗

中圖分類號：V216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0050-02

鐵鳥是用于飛控系統重要驗證平臺之一，鐵鳥綜合試驗也是系統集成試驗的重要組成部分。由于試驗條件與真實狀態接近，鐵鳥上各活動面的運動行程、速率可達到與飛機相同，從而，在地面模擬試驗臺上進行的系統試驗結果能反映飛機系統的運動性能。通過鐵鳥考核飛機在空載、加載、故障等不同狀態下，各系統（飛控、液壓、供配電等）的功能、性能是否符合設計指標和適航要求，為民用飛機的試飛和投入航線運營提供技術支撐。鐵鳥的設計是實現這些目標的前提。

1 鐵鳥機翼外段的基本設計要求

1.1 基準選取

設計基準為飛機機體坐標系，各部分設計以此為基準。弦線（弦平面和梁平面交線）和激光點作為安裝基準，相關要求需要在設計時考慮。機翼外段需要保證結構試驗件安裝面，前后梁表面都采用了焊后加工面的方式保證光潔度和平面度。為了實現按飛機坐標系統準確安裝鐵鳥機翼及垂尾，可采取一些工藝手段，在鐵鳥機翼前、后梁平面及垂尾梁平面加工4～6個激光孔，分別在梁平面的弦線上及弦線外加工激光孔，以便保證鐵鳥機翼前、后梁安裝和調試。

1.2 尺寸設計要求

臺架需要盡可能真實地模擬飛機狀態，系統件、結構件（支架和舵面等）、液壓管路、電纜等都采用了和飛機一致的真件，考慮到安裝與維護要求，鐵鳥機翼前后梁按飛機實際的機翼前后梁位置布置，關鍵尺寸按照與飛機1：1的比例設計。

1.3 臺架材料的選擇

鐵鳥結構材料除要滿足使用上的機械性能，安裝制造的焊接性能、機械切削加工特性外，還要考慮材料的經濟性，盡量采用貨架產品（槽鋼、角鋼、方管、板材）。考慮到機翼外段實際需求（強度、結構形式），采用Q235低碳鋼作為主要材料（可用于替代飛機大部分鋁合金板材、型材的受力構件），槽鋼作為機翼外段前后梁、選用板材作為前后梁連接件，方管作為立柱主體。

1.4 安裝設計要求

鐵鳥機翼外段設計需要考慮副翼的加載，除強度之外，由于加載作動器的安裝可能帶來與臺架干涉問題，依據原理圖以及作動器、加載接頭的尺寸結合鐵鳥機翼外段臺架對加載機構做運動分析。

鐵鳥機翼外段設計還需要考慮結構試驗件系統試驗件的安裝，試驗件大部分都直接安裝于前后梁上，以副翼為例，其含有5個懸掛支架與2個作動器支架，由于鐵鳥后梁采用的是槽鋼，表面精度不能保證，采用疊加一層安裝板，利用焊后加工的方式，保證平面度與粗糙度，真正做到與飛機設計一致。機翼外段設計還綜合考慮了管路、電纜、運動機構的安裝、測試設備的使用，保證實用性。

1.5 臺架與地基預埋板的連接

臺架通過其每個立柱連接的預埋鋼板上焊接8個螺柱作整個立柱上下調節——無級調節，保證立柱上平面的同一水平面精度很高，該方案實施時需要立柱下法蘭需要二次灌漿。

2 設計與驗證

按照飛機設計要求，安裝全尺寸的試驗件之后臺架需要保證足夠的強度、剛度（包括臺架機翼外段的固有頻率），以保證安全（人身、設備、儀器等）。

鐵鳥機翼外段的設計需要考慮加載方式、加載點以及連接件/傳力件的安裝，同時加載載荷也是鐵鳥機翼外段強度設計的依據；舵面和作動器的支撐剛度需模擬飛機真實支撐剛度，可采用飛機真實舵面懸掛支臂和作動器支架來近似模擬支撐剛度。在詳細設計階段，進行了如下4種方案的詳細設計，見圖1。

強度計算結果表明，方案3和4（6根立柱、前后立柱加橫檔，加斜撐）的方式較好，考慮到美觀與實用性，選用方案4。對方案4做了一定的優化（斜撐角度、橫檔大小法蘭、加載支撐），機翼外段自振頻率有了明顯的提高，各階自振頻率又遠離副翼旋轉頻率f1，滿足設計要求。

對機翼外段進行靜強度計算分析。依據設計行程，副翼上偏25°為臺架受力最嚴重情況，取安全系數為2，最大VON MISES應力為233MPa，位于后梁腹板開口處。鐵鳥左機翼段外段選用材料為Q235，屈服極限為235MPa，強度極限為380MPa。因此機翼外段詳細設計方案結構滿足靜強度要求。

鐵鳥臺架本體制造與安裝之后，再配套舵面、作動器、各系統試驗件、液壓源等，開展副翼舵面的頻率響應試驗，來驗證剛度設計是否符合要求，試驗原理圖如圖2所示。

由動態信號分析儀35670A發出線性掃頻信號，信號的幅值為0.5°（舵面偏度，±0.5°范圍內可調），信號的頻率范圍為0.1～40Hz （可提高頻率范圍下限至1Hz），線性掃頻，掃頻步長為0.1Hz，每個頻率點重復三個周期以上。信號經作動系統控制柜發送指令操縱舵面運動，由數采測試傳感器為反饋信號，得到系統頻率特性。

依據某型號飛機主飛控系統作動器顫振抑制要求，在有且僅有一個作動器正常工作情況下，副翼旋轉頻率要求不小于f1。副翼掃頻過程中，經過數據分析在信號頻率達到26.6Hz及35.5Hz左右時，臺架有明顯的振動，因此實際機翼外段的一階頻率為26.6Hz，二階頻率為36.5Hz。經分析， 26.6HZ3 結語

鐵鳥的研制、設計工作是和飛機的本體研制、設計工作密不可分的，并受其牽制和制約。鐵鳥機翼外段的研制、設計是一個循序漸進和逐步深化、細化的過程。在安裝各種飛行控制面、飛控系統、液壓系統和供配電系統等以及自身臺架安裝時，需要統籌規劃，該研究對指導臺架設計工作具有重要的工程實踐意義。

參考文獻

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