新型組合試驗件復合靜力試驗方法

田振宇+翟曉+李強+姜文英

摘 要：主要介紹了組合試驗件復合載荷試驗方法及其啟示。這種方法不僅實現了驗證復合載荷之間對試驗件強度的交叉影響和產品與產品之間強度的交叉影響，提高了火箭發動機結構靜力試驗載荷和邊界條件模擬的真實性，同時，還調用整合了多個獨立的試驗系統協同工作，并解決了多系統工作的時序控制難題，推動了靜力結構試驗的系統化、集成化，在很大程度上縮短了試驗周期，降低了試驗成本。

關鍵詞：組合試驗件；水壓聯合；協同試驗；內壓加載

中圖分類號：V435+.22 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.018

文章編號：2095-6835（2016）20-0018-02

在研制火箭發動機的過程中，為了判斷發動機結構的實際工作性能，估計發動機結構的承載能力，確定發動機結構對使用要求的符合程度，驗證發動機結構形式的合理性和結構計算方法的正確性，必須用一系列試驗的方法模擬載荷和邊界條件，觀察和研究火箭發動機結構在靜載荷作用下的強度、剛度、穩定性、應力和變形分布情況。而應用于火箭發動機的結構靜力試驗主要包括軸拉試驗、軸壓試驗、扭轉試驗、彎剪聯合試驗、外壓試驗和內壓試驗等。

在載荷和邊界條件模擬方面，單一試驗件單項靜力載荷試驗有天然的缺陷，其在使用經典力學計算試驗載荷時，一般會采用多種簡化和假設、盡量減少未知量的方法。這種方法很難滿足載荷和邊界條件與真實飛行情況基本一致的試驗要求。為了提高火箭發動機結構靜力試驗載荷和邊界條件模擬的真實性，提高火箭發動機的結構靜力試驗的集成化和系統化，本文提出了一種采用組合試驗件復合靜力載荷試驗方法?；鸺l動機在進行結構靜力試驗時，可同時調取其他彈體部件，比如艙段、尾翼等組成組合試驗件進行聯合試驗。試驗載荷可復合多類型試驗載荷，比如外載荷、內壓和外壓等，試驗效率和試驗指導性均有很大的提高。

1 試驗系統和原理

1.1 試驗系統

并行式試驗加載系統主要包括多通道協調加載系統，內、外壓加載系統，各子系統彼此獨立，試驗時并行控制。

1.1.1 多通道協調加載系統

多通道協調加載系統是一套由計算機控制的多缸電液比例伺服系統。計算機通過控制電路啟動液壓系統電機向系統加壓，通過閥體控制每個通道上的作動筒動作，施加載荷至試件上。每個通道的加載狀態由力傳感器測量，并反饋給計算機，以實現系統的閉環控制。

1.1.2 內、外壓加載系統

在結構靜力試驗中，在無特殊要求的一般性內、外壓試驗中，均以水為加載介質，其他介質有油、氣等。由于要求的工作壓力和流量差別比較大，對水壓加載設備的要求也不同，所以，水壓加載系統一般由加壓水泵、操作臺和排水泵組成。

1.2 試驗原理和方法

組合試驗件復合靜力載荷試驗采用的是一種新型的復合型試驗思路，將原有結構靜力試驗采用的以單個試驗件單項靜力載荷試驗為基本試驗單元的試驗方法擴展至以組合試驗件復合載荷試驗為基本試驗單元進行試驗。試驗時，將原有分離的單獨試驗件按總裝要求組裝成試驗組件，并按加載時序要求并行施加復合載荷。復合載荷可由外載荷、內外壓載荷組合，復合載荷由單獨試驗加載子系統并行控制。

試驗時，固定工裝為試驗組件提供可靠的承力基礎和加載空間，試驗組件各組成件分別由水壓系統控制加載內外壓載荷，由多通道協調加載系統控制經邊界模擬工裝控制加載外載荷。2個加載系統同時加載，同時到達目標載荷。試驗數據由多參量數據采集系統統一采集并記錄、分析。

2 組合試驗件復合靜力試驗方法

2.1 試驗裝配

殼體前接頭與前堵蓋裝配，后接頭與后堵蓋裝配，在過渡段內安裝發動機殼體，在既定位置安裝過渡段固定工裝，并在固定工裝上安裝過渡段和裝配體，用于連接注水管和各類傳感器。同時，還要安裝軸壓試驗工裝和消除自重工裝，連接液壓系統并調試。試驗裝配如圖1所示。

2.2 試驗測試

在發動機和過渡架上布置應變，本文采用20個單向應變分析產品受載狀態。具體的應變片原理是，受載時內部電阻絲產生不同電阻，通過變化來測試應變值的變化。

2.3 試驗加載

在殼體小端進水并打壓，在殼體大端加載軸向載荷，按照載荷要求加載。

2.4 試驗結果和分析

在整個試驗過程中，聯合試驗的試驗件沒有出現異?，F象，也沒有發出聲響。試驗結束后，卸載檢查試驗件外觀無異常，試驗結果如表1所示，試驗應變趨勢如圖2所示。

從表1所示的應變數據中可以看出，隨著載荷的增大，應變數據也相應增大，但是，最大應變未超過3 000 με，理論上復合材料20 000 με破壞，所以，發動機整體性能穩定，加載均勻性比較好。

3 結論

目前，該試驗方法在試驗室內的應用尚屬于初步應用階段，僅限于兩件產品組合和2種載荷復合，未來可向多件產品組合

和多種載荷復合的方向發展，發展的動力和需求旺盛。綜上所述，本文提出的新型組合試驗件復合靜力載荷試驗方法具有很好的應用前景。在日后的工作中，要主要注意以下幾點：①現今，傳統單向試驗無法滿足日益進步的考核要求，需加大對復合載荷的投入和研究；②復合載荷更加貼近產品實際受載情況，其結果具有重要的參考意義；③復合載荷試驗方法具有很強的適用性，發動機實際工作狀態必然是多種載荷聯合作用；④復合載荷試驗可減少試驗項目，更加精確的驗證發動機的承載能力。

4 試驗啟示

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法實現了對復合載荷之間、對試驗件強度的交叉影響和產品與產品之間強度的交叉影響的考核。本文提出的試驗方法打破了以往驗證性試驗的傳統格局，以往靜力載荷試驗只能進行單件單載荷因子驗證，無法考核產品與產品之間、各載荷之間對試驗件強度的交叉影響，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法不僅實現了驗證復合載荷之間對試驗件強度的交叉影響，還實現了驗證產品與產品之間強度的交叉影響，對產品的研發和改進有更加重要的指導意義。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法的試驗載荷和邊界條件更接近產品的真實工作情況。以往的試驗載荷和邊界條件經過一系列的簡化后，產品的試驗狀態與產品真實工作狀態有不可忽視的差異，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法可以盡可能地復原以往試驗中被簡化的試驗載荷和邊界條件，試驗的模擬度更高、指導性更強。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法系統化、集成化更高。它不同于以往常規結構靜力試驗，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法采用了多系統并行協同工作，解決了多系統工作的時序控制難題，大力推動靜力結構試驗向更高的系統化、集成化邁進。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法大大降低了試驗成本。以往對單個試驗件要分別進行多項單載荷靜力結構試驗才能達到考核目標，而本文提出的試驗方法可以在一次試驗中同時完成組合產品在多種載荷下的考核，在實現考核目標的同時試驗量大為減少，極大地壓縮了試驗周期，降低了試驗成本。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法屬于新型的試驗方法，試驗集成度高、系統性強。該類試驗在結構靜力試驗領域屬于技術集約型試驗項目，多種載荷復合試驗難度大，試驗時，必須考慮到載荷之間的干涉和約束情況。這種試驗方式主要驗證了多種載荷互相作用下的殼體承載能力，更加貼近殼體實際受載情況，可測得多種載荷對發動機的影響。

參考文獻

[1]魏生道.結構靜力試驗技術[M].北京：宇航出版社，1988.

[2]侯曉，秦誼，何高讓，等.應變率對復合材料殼體外壓性能的影響[J].固體火箭技術，2012，35（6）.

[3]王洪桂.潛地導彈發動機外壓試驗[C]//2000年全國固體火箭發動機設計技術學術交流會.北京：中國宇航學會，2000.

[4]《導彈結構強度計算手冊》編寫組.導彈結構強度計算手冊[M].北京：國防工業出版社，1978.