基于地板結構的機身雙層雙向加載技術

劉瑋，滕青，劉冰

1. 中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點試驗室，西安 710065 2. 上海飛機設計研究院 強度部, 上海 201210

飛機結構強度地面試驗驗證是飛機研制過程中不可或缺的重要環節[1]。民用航空器運輸類飛機適航標準CCAR—25部對結構強度試驗驗證有嚴格的要求[2]。結構試驗中，試驗加載應盡可能模擬飛機真實的受載狀態，必須針對試件結構和具體加載部位，合理選擇載荷引入方式。

國內外開展結構試驗加載技術研究已有數十年的歷史，歐美國家發展了以硬式連接為特點的加載方法，拉壓墊、剪力塊、硬式連接杠桿系統技術逐步成熟。蘇聯/俄羅斯則發展以膠布帶-杠桿系統為特點的軟式連接加載方法[3-6]。中國結構試驗技術師從于蘇聯，早期同樣以膠布帶-杠桿系統為主要加載形式。近年來，先后開發出了一體化承載框架[7]、垂直弦平面加載[8]、雙向加載拉壓墊[9-10]、起落架隨動加載[11]、0g扣重[12-13]等加載技術并投入型號試驗，且開始通過虛擬試驗手段評估試驗方案的合理性、預報試驗風險點[14-17]。具體到機身垂向加載問題上，以往最常見的方法是通過在機身框蒙皮表面粘貼膠布帶引入載荷[3]。這種方法忽視了對機身地板梁相關結構的考核，沒有真實地模擬機身主要載荷(客載和貨載)的傳遞路徑[18-19]。隨著民用飛機考核驗證要求的不斷提高，地板結構在機身承載中的作用受到更多的關注。空客在A350飛機的全機疲勞試驗中，采用了一種基于機身地板結構的加載技術，通過在客、貨艙分別搭建獨立的杠桿系統實現加載，波音公司在Boeing787飛機疲勞試驗中也采用了相似的技術，為減少機身蒙皮開孔，一套杠桿系統覆蓋了8個機身框，因此難以用于各工況載荷分布差異較大的靜力試驗。國內，航空工業一飛院與中國飛機強度研究所在某大型運輸機全機靜力試驗及MA600飛機疲勞試驗中，實現了對機艙單層地板施加垂向向下載荷[20]。但其加載裝置結構較為簡單，無法適用于具有雙層地板結構的大型客機[21]。目前，國內相關技術仍然處于起步摸索階段，對于加載裝置的設計使用原則及實際加載精度、加載有效性等問題尚無定量分析或試驗結果見于報道。

根據機身結構傳力分析，基于地板結構加載能夠更好地模擬客載和貨載的傳遞路徑，從而對試件結構進行更有效的驗證考核。同時，基于地板結構的加載方式能極大地減少試驗加載設備對機身外表面的占用，利于進行機身應變位移測量、蒙皮失穩觀察、試驗前后無損檢測等工作。

本文提出了一種基于地板結構的機身雙層雙向加載技術(以下簡稱“地板結構加載技術”)，包括基于地板結構的載荷施加策略及配套的加載裝置設計技術。分別以基于地板結構加載狀態下機身框內力分布及加載裝置末端載荷分配精度為主要指標，通過仿真及模擬試驗手段對該技術進行了驗證。最終成功應用于在研飛機的適航驗證試驗，也為同類飛機的全機或機身部段試驗提供參考。

1 基于地板結構的機身加載方案選擇

1.1 機身結構受力特征分析

在真實飛行狀態下，機身載荷主要包括結構自身的慣性/氣動載荷、客/貨艙裝載的慣性載荷和增壓艙增壓載荷等[18]。對于民用飛機，機身主要用于裝載乘客和貨物，客/貨慣性載荷是機身結構的最主要載荷，以某型飛機機動平衡2.5g工況為例，典型機身艙段客/貨載荷占艙段總載荷的88%。客載和貨載首先作用在客艙和貨艙地板結構上，通過地板結構再傳遞到機身殼體結構。傳統的加載方法通過膠布帶直接將客/貨載荷施加到機身兩側的殼體結構上，沒有遵循載荷的真實傳遞路徑，對載荷傳遞路徑上的局部結構驗證不真實，可能存在考核不充分的風險。為此提出了一種地板結構加載技術,解決局部結構試驗驗證不真實的問題。

1.2 3種機身試驗載荷加載方案比較分析

在全機有限元計算時，飛機載荷均按結構真實受載情況施加在模型節點上，可以認為此計算最真實地模擬了飛機受載，計算結果真實反映了結構內力分布。結構試驗載荷的施加由于試驗加載方法的限制，無法做到類似全機有限元計算的加載密度，必須進行簡化。以全機有限元計算結果(全機解)為基準，與3種機身試驗加載方案有限元計算結果對比，選擇最優的加載方案。

3種機身試驗加載方案為：方案1，傳統的蒙皮膠布帶加載方案；方案2，客艙地板單層加載方案；方案3，客艙和貨艙雙層地板結構加載方案。3種加載方案示意圖如圖1所示, 典型機身段的有限元模型如圖2所示。

將3種加載方案計算結果與全機有限元計算(簡稱全機解)結果進行比較，分別比較了典型機身主要承載結構壁板和框結構的承載情況，壁板長桁軸向力對比如圖3所示，框彎矩對比如圖4所示。

可以看出3種加載方案對機身壁板受載作用效果一致，且與全機有限元計算結果吻合；對于機身框的受載作用效果，22長桁以上吻合較好，22長桁以下存在一定偏差，特別是31長桁處差異很大。

分析31長桁處框彎矩差異的原因，31長桁位置是地板支柱與框連接點，機身結構真實傳力客載是通過地板結構傳遞到機身結構上的，地板支柱上有一個較大的集中力在31長桁位置作用到框上，引起框彎矩增大，而方案1直接將所有機身載荷(包括客載)通過膠布帶直接作用在機身側壁蒙皮上，沒有模擬客載的真實傳遞路徑。此計算結果也證實了前期的定性分析。

圖1 3種加載方案示意圖Fig.1 Sketch of three loading schemes

圖2 典型機身段的有限元模型Fig.2 Finite element model for typical fuselage

圖3 典型機身壁板軸向力對比(48～49框)Fig.3 Comparison of axial force of typical fuselage panel (Frames 48-49)

圖4 典型機身框彎矩對比(49框)Fig.4 Comparison of bending moments of typical fuselage frame (Frame 49)

1.3 機身垂向加載方案選擇

從3種加載方案對框受載作用計算結果來看，方案1無法模擬機身結構真實傳力路徑；方案2由于將所有機身載荷僅施加到客艙地板結構上，對客艙地板結構模擬過于保守，使31長桁處框彎矩異常增大，如果按此方案進行試驗，可能會引起局部框結構提前破壞；方案3將客載和貨載分別施加到客艙和貨艙地板上，然后將其他機身載荷按一定比例分配到客艙和貨艙地板上施加，在滿足框結構強度的前提下略偏保守地解決了垂向機身載荷加載。

綜上，選擇方案3作為結構試驗機身垂向加載方案。

2 全機結構試驗機身加載方案

本文提出基于地板結構的機身雙層雙向加載技術，主要包括一種基于地板結構的機身載荷施加策略及相應的專用加載裝置設計技術，通過在機身內部地板結構上搭建杠桿加載裝置實現機身垂向載荷加載。

地板結構加載的設想是：使用一組永久性加載裝置完成各種不同工況的機身加載，通過拉桿穿過蒙皮將作動器等加載設備的集中載荷引入機身，經過杠桿系統分配后施加到機身各框站位所在的客、貨艙地板結構上。實現雙層地板結構加載需要解決以下問題：

1) 加載策略問題，保證對機身各框站位考核充分，各工況下控制剖面載荷準確。

2) 加載裝置問題，保證加載裝置與地板結構連接處載荷分配準確。

2.1 加載策略與載荷處理

試驗載荷處理，是將強度分析用載荷等效處理為試驗可實施的載荷，載荷處理時應盡可能保證試驗考核區域的受力真實，對于非考核區域的載荷可適當簡化[22]。不同工況機身各站位載荷分布均有差異，若針對每個工況單獨設置加載裝置不僅會增加巨大的工作量，且需要在蒙皮上設置大量開口，不具有可實施性。

因此在機身地板結構加載中采用以下策略：在機身考核工況下，對于考核部位設置若干個考核站位，試驗載荷處理要求保證考核站位內力與目標載荷一致，其他站位內力與飛機載荷的差異在可接受的范圍內。上述若干個必須保證載荷一致的機身剖面在試驗載荷處理時定義為“控制剖面”。

2.1.1 機身載荷組合與分區

將全機試驗機身載荷按客載、貨載和慣性載荷分別離散成各框站位上的集中載荷。客載施加在客艙地板結構上，貨載施加在貨艙地板結構上，將慣性載荷按一定比例分別處理到客艙和貨艙加載點上。

根據機身結構考核要求確定若干個控制剖面，控制剖面將機身劃分成若干個加載區域，以便下一步載荷處理。

2.1.2 機身典型載荷分布與加載點設置

設置加載裝置實現地板梁加載，一般1套裝置覆蓋4個框距。考慮到需要通過機身蒙皮開孔加載，每套加載裝置的合力點位置無法變化，需要按照一種具有代表性的典型載荷分布設計杠桿系統力臂。為保證考核充分，選取機身各分區的嚴重考核工況作為典型載荷分布。按照加載裝置覆蓋范圍典型載荷分布設置集中力加載點，加載點引出位置滿足機身開孔要求并避開機身長桁等主要承力結構。

2.1.3 各工況載荷處理及誤差分析

確定機身所有加載點分布后，將全機試驗各工況機身載荷處理到這些加載點上，并將加載點載荷反推至機身各框客艙、貨艙承載結構上，要求在此狀態下控制剖面的彎矩、剪力和扭矩值與目標載荷誤差滿足試驗要求。

具體處理流程如圖5所示。

圖5 載荷處理流程圖Fig.5 Flowchart of load treatment

2.2 加載裝置設計

對于機身雙層部段，設置專用的杠桿加載裝置，將機身各框站位的垂向載荷施加在客艙和貨艙地板結構上。每4個框設置一套加載裝置，采用樹形杠桿結構，包括加載拉桿、聯合杠桿、客艙加載組件、貨艙加載組件等部分。在加載點位置的機身蒙皮上設置開孔，通過拉桿穿出機身外加載。機身雙層地板梁加載裝置示意圖如圖6所示。

加載裝置共設置5級杠桿，依據典型載荷分布各框客、貨艙載荷設計各級杠桿力臂比。對加載裝置各部件自由度進行分析，各級杠桿間合理選用球軸鉸接、螺栓鉸接、螺栓固接等連接方式，避免加載裝置對試件產生附加剛度影響，確保加載裝置能跟隨試件變形并保持載荷分配準確。

1―蒙皮；2―客艙地板；3―貨艙地板；4―向上加載機構；5―向下加載機構；6―聯合杠桿1；7―聯合杠桿2；8―客艙杠桿組； 9―貨艙加載斜撐；10―貨艙杠桿組圖6 加載裝置示意圖Fig.6 Sketch of loading device

2.3 加載裝置模擬試驗驗證

地板結構加載作為一項新技術，在投入型號試驗應用前，有必要通過模擬試驗充分驗證加載裝置的可靠性、穩定性及加載精度。

模擬機身雙層地板結構幾何邊界條件設計了加載裝置模擬試驗臺架，包括支持框架、上/下層支持橫梁、客/貨艙地板結構假件等部分。在加載裝置與模擬的機身地板結構連接處設置監視點測力傳感器，測量末級載荷節點的實際傳力，并與分析結果對比，以此評估整套加載裝置的載荷分配精度。

為全面驗證該加載系統向上、向下加載時的載荷傳遞精度，設置了2種載荷工況。試驗使用液壓作動筒加載，向下工況使用2個加載點，載荷均為100 kN，分20級同步加載，逐級記錄加載點和監視點實測載荷；向上工況設置1個加載點，加載載荷為60 kN，記錄最終狀態下的加載點及監視點載荷。模擬試驗示意圖及照片如圖7所示。

2個工況各進行了3次試驗，試驗過程中未發現異常響聲；未發現加載裝置出現失穩、卡滯或其他異常；卸載后目視檢查加載裝置，未見異常。加載準確、協調，監視點載荷重復性較好。向下工況監視點載荷如表1所示，向上工況監視點載荷如表2所示。

表1和表2中監視點載荷數據表明，加載裝置末級加載節點載荷分配誤差可控制在±1%以內，即使在高載情況下，加載裝置及試驗臺架彈性變形對載荷分配精度也不會產生顯著影響。

圖7 地板結構加載裝置模擬試驗示意圖及照片Fig.7 Sketch and photo of cabin floor structure loading device test

表1 向下工況監視點載荷Table 1 Load of watch points in downward case

表2 向上工況監視點載荷Table 2 Load of watch points in upward case

經模擬試驗驗證，基于機身地板結構的雙層雙向加載裝置結構穩定可靠，載荷分配準確，變形跟隨性良好，可應用于型號試驗。

3 型號應用

地板結構加載技術在完成模擬試驗驗證后已應用于某型在研民用飛機的全機靜力試驗中。如圖8和圖9所示，在前機身、中后機身設置雙層加載裝置7套，覆蓋28個框；在中機身、中后機身收縮段設置客艙單層加載裝置6套，覆蓋21個框；總計合成向下加載點24個，向上加載/扣重點13個，可滿足絕大部分工況的全機試驗機身加載或部件試驗機身配載要求。

在試驗中，加載裝置精度良好，機身應變、位移實測數據與計算值吻合。同時，由于整套加載裝置在試驗開始前一次安裝到位，節省了試驗過程中不同工況杠桿和作動筒的換裝、檢查時間，新技術在縮短試驗周期等方面效果顯著。

圖8 某型客機地板結構加載系統示意圖Fig.8 Sketch of floor structure loading system of a certain airliner

圖9 某型客機地板結構加載系統照片Fig.9 Photos of floor structure loading system of a certain airliner

4 結 論

以民機結構試驗機身垂向加載方式為研究對象，結合型號任務，分析了基于機身地板結構雙層雙向加載技術實施的必要性，提出并設計了一套基于機身地板結構的加載裝置，經過模擬試驗驗證確認了加載裝置的加載精度，最終應用于在研型號飛機的全機靜力試驗，解決了加載裝置在真實飛機結構之間的諸多協調問題。

地板結構加載技術的應用結果表明，該技術能夠準確模擬機身載荷的實際傳力路徑，對結構驗證更真實；加載裝置的應用還減少了試驗過程中試驗裝置的換裝工作量，加快了試驗進度。

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