大面積連續壓向載荷模擬施加技術研究

王海 杜峰 杜星 何月洲

摘要：飛機結構強度試驗中大面積連續壓向載荷為主要載荷形式。目前國內外成熟的載荷施加方法主要采用有限個離散的節點集中力進行模擬，且通常將壓向載荷盡可能地轉換為拉向載荷施加，以避免考慮試驗時結構局部強度、變形適應性及試驗裝置壓向穩定性等問題。為了更加真實地模擬壓向分布載荷，針對結構強度試驗中大面積連續復雜壓向載荷施加問題，本文提出了一種多層級耦合傳載彈性體結構加載技術，設計了試驗專用加載裝置，并成功應用于型號試驗。各項試驗加載過程平穩、可靠，試驗數據與理論計算結果吻合良好。

關鍵詞：復雜分布壓力；聚氨酯；彈性體耦合傳載；連續載荷施加；結構強度試驗

中圖分類號：V216.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.003

水上飛機除承受傳統陸基飛機的氣動載荷、地面載荷、慣性載荷和發動機載荷等外，還會受到水動力載荷[1，2]，載荷形式多樣，載荷工況復雜。在飛機結構強度試驗中，通常將飛機所受到的真實載荷經過幾輪演算等效，簡化后形成直接用于結構強度試驗設計的載荷輸入，如有限元節點載荷、集中載荷、分布載荷等[1-5]。目前國內外比較成熟的試驗加載方法主要有膠布帶、拉壓墊、木模、吸盤、卡板、氣囊、固定接頭等[6-11]，其中大部分加載方法是通過設計一套專用杠桿系統將分布載荷或大的集中載荷離散成有限個小集中載荷。且當考慮結構局部強度、變形適應性及試驗裝置壓向穩定性等試驗設計和工程實施問題時，通常將壓向載荷盡可能地轉換為拉向載荷施加[2-3]。

然而，飛機載荷經演算等效后不能反映飛機結構的真實受載情況。尤其是飛機翼面等部位實際工況所承受的載荷主要表現為大面積連續復雜分布壓向載荷，如各類翼面結構所受到的升力。在飛機結構表面較為理想地模擬大面積連續分布壓向載荷，上述現有的加載方法均不能適用。氣囊加載方法可以實現壓向連續均布加載，但氣囊需要制作封閉金屬容器來限制氣囊在載荷工作面外的張力[8]，復雜結構表面和結構變形不利于氣囊加載裝置的安裝和密封，高載時容易發生嚴重漏氣、爆炸、跟隨性差等風險，導致試驗風險不可控。

為了滿足壓向載荷的大面積連續施加要求，更加真實地模擬飛機結構承受的大面積連續壓向載荷的分布特征和連續性，本文提出了一種載荷模擬施加技術，并研發了新的試驗裝置成功應用于型號試驗。

1大面積連續壓向載荷模擬施加技術

結合以往試驗經驗，提出彈性體耦合傳載與疊加模型，研發了一種多層級連續彈性體結構加載裝置，通過合理設計彈性加載墊和剛性離散塊的材料屬性、總體結構尺寸等主要參數，充分發揮彈性介質對各離散點集中力的耦合傳載作用和對結構變形的適應性能，實現大面積連續壓向載荷的模擬施加。多層級耦合傳載彈性體結構加載技術使用連續彈性體材料覆蓋加載區域，通過剛度設計解決各離散點對集中載荷的分布能力和變形自適應能力，增強各離散點間的傳載耦合作用，使得剛性離散塊與彈性加載墊剛柔耦合作用將多點離散載荷耦合成作用區域內連續分布載荷[12-13]。

試驗時通過杠桿系統將作動器集中載荷施加到彈性加載墊表面的剛性離散塊，經過連續彈性體傳遞到結構表面。杠桿系統和剛性離散塊保證了載荷分布規律的正確性，保證了作用面的接觸面壓力分布特性，其加載形式如圖1所示。無論結構曲面凸凹情況，只要曲面與彈性體貼合不產生相對滑動，就能耦合傳遞連續分布壓力載荷。

2多層級耦合傳載彈性體結構設計

分布壓力載荷連續加載的關鍵在于利用剛性離散塊與彈性加載墊對多點集中力的耦合傳遞作用。本節著重探討采用彈性體多層耦合傳載結構加載墊實現加載時的接觸面載荷分布情況。在諸多影響因素中，剛性離散塊的規格及布置、彈性加載墊材料屬性（E、σ）及厚度H等關鍵參數是影響耦合傳載的主要關鍵因素。本文根據某型飛機實際的加載需要，建立如圖2所示的計算模型，選取L=900mm的典型承力結構段進行多點耦合連續傳載技術研究，分析加載墊傳力特性和加載接觸面載荷分布特征，用于指導彈性體多層結構載荷加載系統的結構設計。

2.1剛性離散塊規格設計

借鑒參考文獻[9]中拉壓墊尺寸，設計剛性離散塊底面為120mm×80mm，在載荷均布、接觸面積及加載墊材料屬性不變的情況下，離散塊厚度是影響接觸面耦合均布傳載效果的關鍵因素。計算模型如圖3（a）所示，對比不同厚度下離散塊與加載墊接觸面壓力分布曲線（見圖3（b）），厚度T從10mm增加到40mm，離散塊與加載墊接觸面壓力均布性逐漸增強，但30mm以后變化幅度較小，考慮加載設備重量和經濟性，可選用T=20～30mm的硬鋁塊制作離散塊。

2.2離散塊數量N和間距D的影響

確定剛性離散塊尺寸后，多個離散塊與彈性加載墊構成多點耦合連續加載系統，在一定的加載區域內，控制其他變量不變，對比不同離散點數量N和間距D對施加到承力結構表面壓力分布的影響（見圖4），結果表明布置的離散點越多，施加到承力結構表面的載荷均布性越好。當離散點個數達到8以后，均布效果變化不大，同時為了便于杠桿連接，可選擇N=8，此時剛性離散塊間距D=100mm，相鄰離散塊間隙為20mm。

2.3彈性加載墊材料屬性（E，σ）的影響

選用木材（E=1.3GPa，σ=0.38）、硫化橡膠（E=60MPa，σ=0.47）及聚氨酯（E=170MPa，σ=0.43，肖氏硬度85A）三種材料設計彈性加載墊，對比了不同彈性材料屬性對承力結構表面力的影響，如圖5所示。加載過程中承力結構發生局部變形，相比于聚氨酯、橡膠等彈性較好的材料，木材的局部變形協調能力較差，木塊與結構局部變形不協調時，載荷會傳遞到承力結構兩端變形較小、剛度較大的約束區，從而造成兩端載荷大、中間載荷小的不均勻分布現象。對比結果表明，聚氨酯與橡膠材料都具有較好的傳載多點耦合均布加載效果。但考慮到聚氨酯原材料可定制，承載能力更強，且比硫化橡膠機械加工性能更好，以聚氨酯材料制作彈性加載墊。

本文優先選用聚氨酯材料[14]制作彈性加載點，以便針對機體載荷施加部位的復雜曲面及特殊結構細節進行數控機加修形。

2.4彈性加載墊厚度H的影響

彈性加載墊厚度H對耦合傳載性能有明顯影響，前述計算模型均定義H=100mm。加載墊厚度H對承力結構表面的影響如圖6所示，聚氨酯加載墊厚度從H=25mm提高到H=50mm，接觸面載荷均布性提高明顯，厚度超過50mm后，均布加載效果變化不大，可以根據實際需求設計載荷集中區域加載墊厚度超過50mm。

根據上述4項分析結果，綜合考慮工程實用性、實施成本等因素，已知單個加載區域的載荷分布情況，可設計結構合理的多層級耦合傳載彈性體結構加載系統，并基于復雜機構自由度分配技術設計一套輕質的專用杠桿系統[15]，保證每個離散塊上的集中力符合載荷總體分布，實現區域內大面積連續壓向載荷施加。特別說明的是，為了解決壓載穩定性和變形適應性問題，必須盡可能降低杠桿系統的總體高度，以及釋放杠桿連接部位多余自由度。結構各參數確定后，通過算例計算得到承力結構接觸面壓力分布曲線分布情況，如圖7、圖8所示。

3試驗驗證

研究成果已應用某型水上飛機全機著水情況靜強度試驗，該試驗需要在機身V形船體結構施加大面積連續壓向載荷模擬著水載荷，水載荷按線性分布函數給出。試驗現場照片如圖9所示。由于飛機著水時的過載導致水載荷量級很大，水載荷作用面積很大，給加載裝置的設計和試驗實施帶來了很多工程實踐方面的難題。

試驗前在加載區域內部關鍵部位粘貼了應變片，試驗過程中載荷以5%為一級逐級加載到限制載荷，同步采集各測量點應變數據，并與理論計算結果進行對比，對比結果如圖10所示，各部位測量點應變測量值與理論計算目標值基本吻合，應變—載荷曲線線性良好，證明本文模擬加載方法能夠將著水載荷按試驗要求施加到船體結構上，加載誤差滿足試驗要求。試驗后對加載區域目視檢查未發現有害殘余變形或破壞，證明了本文模擬加載方法的安全性和可靠性。

4結論

針對飛機結構強度試驗中大面積連續復雜壓向載荷施加難題，提出了一種多層級耦合傳載連續彈性體結構加載技術，并研制了專用加載裝置，成功應用于水上飛機機身V形船底結構著水載荷的連續施加。通過分析，得到以下結論：

（1）多層級耦合傳載彈性體結構加載技術實現了試驗中離散點集中力向連續分布壓力載荷的轉變，更加真實地模擬了飛機結構實際受到的壓向分布載荷，試驗時不用考慮結構局部承載能力。

（2）多層級耦合傳載彈性體加載墊設計需要考慮很多因素，僅針對工程實踐中的幾項主要因素進行了分析；后續仍需繼續研究聚氨酯不同硬度和不同彈性體對分布壓力連續加載耦合效應的影響。

（3）基于復雜機構自由度分配技術的多級杠桿系統提高了試驗裝置的穩定性，且不限制結構變形。

參考文獻

[1]Campbell J C，Vignjevic R. Simulating structural response to water impact[J]. International Journal of Impact Engineering，2012，49：1-10.

[2]Qiu Liangjun，Song Wenbin. Efficient decoupled hydrodynamic and aerodynamic analysis of amphibious aircraft water takeoff process[J]. Journal ofAircraft，2013，50（5）：1369-1379.

[3]王正平，韓鴻源.飛機結構試驗載荷演算方法研究[J].西北工業大學學報，1999，17（4）：11-15. Wang Zhengping， Han Hongyuan. A method for load calculation in aircraft structure test[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University， 1999， 17（4）： 11-15. （in Chinese）

[4]孟敏，吳波，唐寧.飛機載荷校準試驗方案優化設計研究[J].航空科學技術，2020，31（1）： 39-43. Meng Min， Wu Bo， Tang Ning. Research on optimization design of aircraft load calibration test scheme[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（1）： 39-43. （in Chinese）

[5]中國民用航空局. CCAR-25-R4中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準：[S].北京：中國民用航空局，2011. Civil Aviation Administration of China. CCAR-25-R4China civil aviation regulations part 25Airworthiness standards of transportcategoryaircraft[S].Beijing：CivilAviation Administration of China， 2011. （in Chinese）

[6]孫俠生.民用飛機結構強度剛度設計與驗證指南[M].北京：航空工業出版社，2012. Sun Xiasheng. Guidelines for strength and stiffness design and verification of civil aircraft structures[M]. Beijing： Aviation Industry Press， 2012.（in Chinese）

[7]邵騫，董登科，馬利娜，等.飛機結構強度試驗商載施加技術研究[J].航空科學技術，2018，29（7）： 36-40. Shao Qian， Dong Dengke， Ma Lina， et al. Research on payload loading technology of aircraft structural strength test[J]. Aeronautical Science & Technology， 2018， 29（7）： 36-40. （in Chinese）

[8]李志蕊，賈天嬌，汪文君.真空吸盤技術在機翼載荷校準試驗中的應用研究[J].航空科學技術，2019，30（4）： 26-30. Li Zhirui， Jia Tianjiao， Wang Wenjun. Study on application of vacuum suction technology in wing load calibration test[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（4）： 26-30. （in Chinese）

[9]卓軼，呂媛波，張文東.飛機結構強度試驗中拉壓墊加載技術研究[J].科學技術與工程，2016，16（2）： 244-248. Zhuo Yi， Lyu Yuanbo， Zhang Wendong. The research of tension/compression pad load technique in structure strength test[J]. Science Technology and Engineering， 2016， 16（2）： 244-248.（in Chinese）

[10]邵騫，馬利娜.結構強度試驗中真空吸盤技術研究與應用[J].科學技術與工程，2014，14（10） ： 275-279. Shao Qian， Ma Lina. The research and application of vacuum pad technique in structure strength test[J]. Science Technology and Engineering， 2014， 14（10）： 275-279.（in Chinese）

[11]陳帥，楊智春，李斌.結構強度試驗中均布載荷的氣囊加載系統設計方法[J].工程力學，2012，29（6）： 146-150. Chen Shuai， Yang Zhichun， Li Bin. Design method of uniform loading system using airbags in structual test[J]. Engineering Mechanics， 2012， 29（6）： 146-150. （in Chinese）

[12]王海，尚紅星.基于彈性體傳載介質的水載荷施加技術研究[J].工程與試驗，2019，59（2）： 55-57. Wang Hai， Shang Hongxing. Research on water load loading method based on elastomeric force-transmitting medium in structural strength test[J]. Engineering and Test， 2019， 59（2）： 55-57. （in Chinese）

[13]尚紅星，王海，何月洲，等.水陸兩棲飛機結構強度試驗中的水載荷模擬方法[J].科學技術與工程，2019，19（14）： 371-376. Shang Hongxing， Wang Hai， He Yuezhou， et al. Simulaiton method of water load in strucutral strength test of amphibious aircraft[J]. Science Technology and Engineering， 2019， 19（14）： 371-376. （in Chinese）

[14]薛啟超，鄒廣平，何建，等.聚氨酯彈性體隔板夾層結構的等效參數計算[J].復合材料學報， 2017， 34（3）： 564-572. Xue Qichao， Zou Guangping， He Jian， et al. Equivalent parameters calculation for sandwich plate with polyurethane elastomer core reinforced by crossing walls[J].Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（3）： 564-572.（in Chinese）

[15]劉金玉，李軍，戴舜.飛機結構靜力試驗中杠桿系統的載荷配重[J].實驗科學與技術，2012，10（4）：30-32. Liu Jinyu， Li Jun， Dai Shun. Balance weight of lever system in structural static test of aircraft wing[J]. Experiment Science and Technology， 2012， 10（4）： 30-32.（in Chinese）

（責任編輯陳東曉）

作者簡介

王海（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：飛機結構強度試驗技術。

Tel：029-81665369

E-mail：wh050025@163.com

杜峰（1980-）男，學士，高級工程師。主要研究方向：飛機結構強度試驗技術。

Tel：029-81665338

E-mail：59642972@qq.com

杜星（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機結構強度試驗技術。

Tel：029-81665373

E-mail：717995915@qq.com

何月洲（1980-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛

機結構強度試驗技術。

Tel：029-81665354

E-mail：heyuezhou2018@163.com

Research on Large Area Continuous Compression Load Simulation Technology

Wang Hai*，Du Feng，Du Xing，He Yuezhou

Aviation Technology Key Laboratory of Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Test，Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： It is a kind of main load form of large area continuous compression load in aircraft structure static and fatigue test. At present， the mature loading methods at home and abroad are mainly simulated by a limited number of discrete node concentrated forces， and compression loads are usually converted into tension loads as much as possible， which could avoid considering the local strength of the structure， the adaptability of deformation and the compressive stability of the test device. In order to simulate the distribution characteristics of large area continuous compression load more truly， this paper proposes a multi-level coupling load transfer loading scheme， and a special loading device is designed， which has been successfully applied to the structure strength test of an aircraft. The loading process of tests is stable and reliable， and the test data are in good agreement with theoretical calculation results.

Key Words： complex distributed pressure； polyurethane； elastic coupled load transmission； continuous loading； structure strength test