大變形結構強度試驗滑輪組加載系統扣重技術研究

張柁，宋鵬飛，賀謙，任鵬

(中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞重點實驗室，陜西西安 710065)

0 前言

新機研制要經歷4個重要階段，包括設計、制造、試驗和試飛。飛機結構強度試驗是驗證新機型結構設計強度與制造工藝較為有效的方法[1-3]。

飛機結構試驗是根據不同工況施加載荷，以檢驗飛機結構強度是否滿足設計要求的一種試驗方法，是飛機研制過程中不可缺少的重要環節[4-6]。隨著航空工業的飛速發展，飛機結構、材料以及加工工藝等越來越復雜，對結構試驗也提出了更高的要求。為保證載荷的準確施加，試驗中的協調系統越來越復雜，加載系統越來越龐大[7-11]，這就必然涉及試驗機及試驗加載系統的扣重確定。

飛機結構試驗扣重是指進行飛機結構靜力/疲勞試驗時扣除飛機結構重力和試驗設備重力，使得試驗時飛機處于零重狀態，此時試驗載荷才能更加真實地模擬飛行載荷。對于載荷大、變形大的機翼、尾翼等部件，隨著試驗件變形，扣重加載力線出現偏移，造成施加到試驗件上的扣重載荷不準確，從而影響試驗結果的準確性。因此，開展大變形結構強度試驗扣重研究具有重要意義。

針對大變形下結構扣重問題，國外研究主要集中在試驗加載方案及試驗機的強度分析上，對試驗扣重的重力計算及扣重方案研究較少。國內試驗中常用的方法是力控加載點主動扣重和撬杠杠桿配重扣重。力控加載點主動扣重方法將結構重力在相應力控加載點上扣除，首先計算得出各結構件的重力和重心，保證重力和重心的前提下，按合理的結構重力理論分布，將結構重力分到相應加載點上，該方法可以實現試驗過程中結構重力的精準扣除，但當試驗加載點無法包住結構重心時，會出現加載點載荷反向，且存在非試驗期間重力無法扣除問題。撬杠杠桿配重扣重方法采用懸掛的反配重，通過撬杠、鋼索、手動葫蘆及配重托盤等組成的扣重裝置將試驗機的指定部位拉起，達到扣除其重力的目的。該方法設計簡單，適用于試驗中變形較小部位，當試驗變形較大時，撬杠發生傾斜，引起扣重力線出現偏移，影響扣重的精度和穩定性。

鑒于此，本文作者研究大變形結構強度試驗扣重方法，并設計一種基于滑輪組-力控作動筒-扣重撬杠組合系統的扣重裝置，保證結構扣重的準確性和可靠性，并將該技術應用到某型飛機擾流板靜強度試驗中，驗證該技術的有效性和合理性。

1 問題描述

傳統撬杠杠桿配重扣重方法如圖1所示，采用該方法進行試驗時，理論上杠桿處于水平狀態，有：

P=G·A/B

(1)

式中：G為試驗件結構重力；P為所需配重塊重力；A、B為杠桿力臂。

圖1 傳統扣重裝置示意

由式(1)可知，試驗時，只需要安裝配重塊即可實現結構扣重。

然而，實際加載過程中，隨著試驗件變形，杠桿不斷發生傾斜，導致扣重力線發生偏移，如圖2所示。

此時，施加到試驗件的扣重載荷P′為

P′=G·A′/B′·cosθ=G·A/B·cosθ

(2)

式中：P′為施加到試驗件扣重載荷；θ為變形前、后扣重力線夾角；A′、B′為變形后杠桿力臂。

由式(2)可知，施加到試驗件的扣重載荷小于實際扣重重力，從而影響施加到結構上的扣重載荷精度。

圖2 試驗件變形后扣重裝置示意

由于結構變形大，即變形前、后扣重力線夾角θ較大，導致杠桿大幅傾斜，應急卸載時結構會產生較大的振幅，使得滑輪組鋼絲繩產生振動跳躍現象，存在鋼絲繩脫槽、卡滯等方面的試驗風險，從而影響到扣重系統的穩定性。

2 扣重裝置設計

結構強度試驗扣重主要通過傳力機構將試驗機的指定部位拉起，達到扣除其重力的目的。扣重重力主要包括結構重力、假件重力、加載設備及測量設備重力等，扣重載荷的施加采用膠布帶-杠桿系統，在扣重結構重心附近粘貼膠布帶，依據力的等效原則，保證結構重心位置不變，將結構重力分布到相應的膠布帶上，采用連接件(一般用鋼絲繩)連接鋁棒和杠桿，組成膠布帶-杠桿系統，如圖3所示。該系統承載能力強、連接簡單、使用方便、易于拆卸換裝、成本低[12-13]。

圖3 膠布帶-杠桿系統示意

為保證大變形下結構扣重的準確性和穩定性，采用滑輪組-力控作動筒-扣重撬杠的扣重方法，即設計一種傳力機構，主要由可調節連接件、扣重撬杠、定滑輪(單滑輪、雙滑輪)、動滑輪、反配重、測力傳感器、液壓作動筒及鋼索組成。通過一組通用可調長短的連接件，將扣重撬杠水平懸掛，扣重撬杠兩端分別固定1個定滑輪，用于鋼索纏繞導向。撬杠一端通過動滑輪組及測力傳感器將結構扣重部位與鋼索連接，另一端通過反配重和力控作動筒組合與鋼索連接，實現扣重載荷的傳遞。扣重裝置如圖4所示。

圖 4 扣重裝置示意(載荷比例1∶2)

采用該扣重方法進行試驗時，反配重和力控作動筒端跟隨結構的上下變形亦上下移動，在滑輪組作用下扣重撬杠始終保持水平狀態，保證了扣重載荷的力線方向。測力傳感器直接與結構連接，實時主動控制作動筒施加到結構上的扣重載荷大小。將反配重和液壓作動筒串聯，克服了鋼索間存在的摩擦力，解決了單純采用配重施加到試驗件上的載荷小于結構重力、存在欠扣重的問題，確保結構扣重的準確性。試驗狀態扣重裝置如圖5所示。

圖5 試驗狀態扣重裝置示意

試驗中力控原理圖如圖6所示，PCMD為試驗件施加扣重載荷，并作為液壓作動筒的力控命令值，PFB,傳感器為傳感器的當前讀數，作為液壓作動筒的力控反饋值。

圖6 力控原理

由圖5可知，變形前后扣重力線方向不變，即θ= 0，此時，施加到試驗件的扣重載荷P″為

P″=PFB,傳感器=G

(3)

式中：PFB,傳感器為傳感器反饋值；P″為施加到試驗件扣重載荷。

由式(3)可知，施加到試驗件的扣重載荷等于試驗件實際重力，保證了施加到結構上的扣重載荷精度。

同時，在非試驗期間及應急卸載時作動筒卸壓，液壓作動筒和懸掛的配重同時能夠確保結構大變形后應急卸載時結構緩慢回至初始位置，避免結構產生較大的振幅，如圖7所示。

圖7 非試驗期間及應急卸載扣重裝置示意

為保證液壓作動筒受外載后能跟隨試驗件緩慢運動，通過流量閥調節進入液壓作動筒的流量大小來控制其運動速度，有：

活塞受力平衡方程：

p1A1=p2A2+F

(4)

式中：p1為工作缸進油腔的壓力；p2為工作缸回油腔的壓力，由于回油通油箱，因此p2≈0；A1為工作缸進油腔活塞有效面積；A2為工作缸回油腔活塞有效面積；F為負載。

通過節流閥的流量q1：

q1=KAT(pP-p1)m

(5)

式中：K為節流系數；AT為節流閥開口面積；pp為泵的出口壓力；m為節流閥指數，由節流口形狀決定，一般取值0.5～1。

由式(4)和式(5)可知，液壓缸帶動負載的運動速度v為

(6)

結合式(6)，通過對節流閥調速回路進行速度-負載特性模擬分析，分別調節節流閥開度為40%、70%、100%，同時液壓缸輸出力即負載為0、200、400、600、800 N，然后記錄各種情況下活塞的運動速度，如表1所示。

表1 節流閥調速回路速度-負載特性

該扣重方法可通過鋼索纏繞方式實現扣重點和反配重點的載荷比例縮放(可實現1∶1,1∶2,1∶3,1∶4等)，達到反配重點僅需懸掛結構重力的1/2、1/3或1/4等即可扣除結構重力，有效減小了試驗反配重點處懸掛的配重重力。鋼索纏繞方式如圖8所示。

圖8 鋼索纏繞示意

考慮到結構變形大，應急卸載時結構會產生較大的振幅，使得滑輪組鋼絲繩產生振動跳躍現象，存在鋼絲繩脫槽、卡滯等方面的試驗風險，采用封閉式結構設計定滑輪與動滑輪，始終使鋼絲繩處于封閉的空間內，配合間隙小，保證鋼絲繩不會發生脫槽、卡滯現象，如圖9所示。該滑輪組具有以下優點：

(1)定滑輪、動滑輪采用封閉式結構，不會出現鋼絲繩脫槽、卡滯現象；

(2)定滑輪的槽寬保持一定的寬度，允許鋼絲繩槽寬范圍內有一定的變形；

(3)定滑輪底座設計長條安裝孔，保證定滑輪可以旋轉一定角度安裝，使得滑輪組具有靈活的安裝角度，避免滑輪組相互干涉。

圖9 滑輪組示意

3 工程應用

按照上述扣重裝置設計，對某型飛機擾流板靜強度試驗進行擾流板結構扣重，試驗過程平穩、載荷協調，在作動筒卸壓情況下試驗件未出現較大的振幅，試驗順利完成，試驗結果滿足要求，表明所采用的大變形結構強度試驗扣重計算方法科學合理，扣重方案可行。

試驗前首先根據擾流板結構重力，確定擾流板靜力試驗中扣重點與反配重點的載荷縮放比例為1∶2，配重重力為1/2結構重力，扣重撬杠力臂分別為300、600 mm，鋼索直徑為9 mm，測力傳感器量程為30 kN，液壓作動筒量程為30 kN/m，扣重撬杠固定在5 m加載橫梁上;然后將鋼索按圖8中的1∶2載荷比例在滑輪組系統上纏繞；其次,根據1∶2載荷比例調節可調連接件，兩側連接件長度分別為469、700 mm，可將扣重撬杠水平懸掛；最后，將滑輪組系統中動滑輪一端連接到結構扣重點處，通過鋼索將它與反配重點連接，反配重點懸掛配重及安裝液壓作動筒。至此該滑輪組組裝完畢，如圖10所示。試驗現場照片如圖11所示。

圖10 擾流板靜強度試驗現場安裝示意

圖11 擾流板靜強度試驗現場照片

試驗采用前起-主起約束方式，在前起、左主起和右主起上分別安裝有測力傳感器，對約束點的載荷進行監視。同時在考核區域布置若干測試應變片，試驗過程中載荷以10%為一級逐級加載到100%限制載荷，并逐級記錄支持約束反饋及測試點應變。

40%限制載荷及100%限制載荷時支持約束反饋及理論值如表2所示，可見約束反饋與理論計算誤差很小，表明結構扣重準確。

圖12所示為考核部件擾流板加載到100%限制載荷時，考核部位壁板應變-載荷曲線，取其中4個觀測點在各級載荷作用下的測試值與目標應變值進行對比，可看出應變與載荷具有很好的線性關系，試驗過程平穩，試驗扣重裝置穩定，試驗結果滿足試驗要求。

表2 某型飛機擾流板靜強度試驗約束點支反力

圖12 擾流板靜力試驗考核部位試驗結果

4 結論

(1)設計的滑輪組與力控作動筒組合扣重裝置，能通過鋼索纏繞方式調節結構扣重點與反配重點的載荷比例(1∶1、1∶2、1∶3及1∶4等)，在試驗中狀態穩定，鋼索未出現脫槽、卡滯等現象，有效解決了大變形試驗的結構扣重問題，同時能滿足非試驗期間及應急卸載時結構扣重要求。

(2)試驗過程中約束點反力、應變測量、位移測量具有很好的重復性，表明該方法實現了大變形結構重力的精準扣除，方法可行有效。