著陸沖擊試驗系統(tǒng)設(shè)計及大型橡膠容器試驗驗證*

易 方，孟浩龍，劉沖沖

(1. 北京航空工程技術(shù)研究中心， 北京 100076； 2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 陜西 西安 710065)

隨著大型空運平臺的服役，鑒于大噸位液體危險品的應(yīng)急著陸安全性還處于未知的現(xiàn)狀，急需對大型空運平臺裝載運輸大噸位物資的適航性和安全性開展深入研究。在空中大機(jī)動過程中，大噸位液體危險品可能影響整機(jī)重心急劇變化。尤其是應(yīng)急著陸時，不同沖擊過載條件下，大型橡膠容器本體及系留固定能否滿足強(qiáng)度要求直接關(guān)系到大型空運平臺的應(yīng)急著陸安全，需要通過試驗系統(tǒng)測試液體危險品的重心變化量，評估其對飛機(jī)安全飛行的影響。因此，開展著陸沖擊試驗系統(tǒng)的設(shè)計與研制，以大型橡膠容器作為典型物資進(jìn)行實裝試驗檢驗，對于確保飛行安全、降低研制風(fēng)險、提高空運平臺的適航性具有重要的現(xiàn)實意義。

在著陸沖擊研究方面，可資借鑒的主要是針對乘員、座椅等有限個體開展的應(yīng)急著陸研究，以及運輸類飛機(jī)貨艙結(jié)構(gòu)沖擊特性研究。其中，楊歡等[1]利用結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗平臺，建立了基于剛性座椅的航空可替代座椅墊動態(tài)沖擊試驗方法。李杰[2]使用瞬態(tài)有限元軟件進(jìn)行運輸類飛機(jī)旅客座椅動態(tài)沖擊仿真分析。馮震宇等[3]選取飛機(jī)典型貨艙地板下部結(jié)構(gòu)試驗件開展落重沖擊試驗。王虎寅等[4]通過對試驗件和載荷等比縮放，開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型部位的沖擊試驗研究。但是，尚未查見針對大型空運平臺運輸大型橡膠容器所開展應(yīng)急著陸的研究工作。

在沖擊試驗系統(tǒng)方面，國外大型橡膠容器裝載量約為10 t，可依托C-130運輸機(jī)進(jìn)行空運，其裝機(jī)前所完成的水平?jīng)_擊試驗?zāi)芰?yīng)高于10 t。國內(nèi)，中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所現(xiàn)有的沖擊試驗系統(tǒng)通過導(dǎo)軌實現(xiàn)沖擊速度，通過液壓緩沖裝置實現(xiàn)沖擊波形，最大負(fù)載為6 t。隨著大型空運平臺的服役，機(jī)載物資的質(zhì)量最高可達(dá)20 t，國內(nèi)沖擊試驗系統(tǒng)的最大負(fù)載已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足大噸位機(jī)載物資研制的需求。

為實現(xiàn)國內(nèi)現(xiàn)有空運平臺的大噸位機(jī)載設(shè)備噸位全覆蓋，本文創(chuàng)新性地提出并設(shè)計了有效負(fù)載20 t、最大沖擊載荷400 t的大噸位擺錘式?jīng)_擊試驗系統(tǒng)，基于小孔節(jié)流原理設(shè)計了高量值減速型沖擊波形發(fā)生器，針對承載大噸位液體危險品的軟體容器特征，通過大型橡膠容器應(yīng)急著陸試驗，驗證了大噸位液體物品在應(yīng)急著陸極端情況下的安全性。

1 著陸沖擊試驗系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)要求

綜合考慮大型空運平臺機(jī)載設(shè)備指標(biāo)和大型橡膠容器的技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》，確定著陸沖擊試驗系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求[5]。

1)沖擊平臺平面尺寸：≥10 000 mm×3 400 mm；

2)沖擊平臺負(fù)載：≥20 t；

3)最大沖擊峰值：400 t；

4)最大沖擊過載：16g；

5)有效沖程：≥1 m。

1.2 方案設(shè)計

由于著陸沖擊試驗系統(tǒng)要求沖擊能量高，通過對空氣儲能式?jīng)_擊、滑軌式?jīng)_擊、卷揚機(jī)拖動沖擊等備選沖擊方式進(jìn)行比較，空氣儲能方式存在試驗平臺速度難以快速下降、試驗風(fēng)險高、吸能材料可重復(fù)性不佳等問題，卷揚機(jī)拖動方式存在難以產(chǎn)生系統(tǒng)沖擊所需的高速度的問題，滑軌式?jīng)_擊方式雖然能夠產(chǎn)生高速度，但是存在地面軌道摩擦因素不可控且費效比較差等問題。因此，本文對滑軌式?jīng)_擊方式進(jìn)行改良，提出了一種采用擺錘式?jīng)_擊方式的大噸位著陸沖擊試驗系統(tǒng)。著陸沖擊試驗系統(tǒng)主要由沖擊平臺、擺錘系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、波形發(fā)生器等組成，如圖1所示。

圖1 著陸沖擊試驗系統(tǒng)方案設(shè)計Fig.1 Conceptual design of landing impact test system

著陸沖擊試驗系統(tǒng)的基本原理包括：沖擊平臺通過模擬空運平臺機(jī)艙地板的承載能力和系留方式，用于安裝和系留空運物資；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)牽引沖擊平臺(含空運物資)沿擺錘系統(tǒng)的擺動方向向上至試驗要求的高度，產(chǎn)生試驗所需的勢能；沖擊平臺被釋放后，受重力作用沿擺錘系統(tǒng)的擺動方向向下運動，至最低處達(dá)到額定速度并撞擊波形發(fā)生器；波形發(fā)生器生根固定在地面承重墻適當(dāng)位置，基于液體高速通過阻尼孔產(chǎn)生阻尼力、消耗能量的原理，受沖擊平臺撞擊后施加給沖擊平臺反作用力用于產(chǎn)生需要的慣性載荷，產(chǎn)生所需要的沖擊波形；測控系統(tǒng)由傳感器、采集器和控制系統(tǒng)組成，用于控制沖擊平臺的初始高度，在沖擊過程中實時測量應(yīng)變、重心變化、沖擊過載等試驗數(shù)據(jù)，檢驗空運物資裝載在沖擊平臺后的強(qiáng)度、重心偏移等參數(shù)是否滿足適航性要求。

2 著陸沖擊試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與分系統(tǒng)仿真設(shè)計

2.1 設(shè)計要點

著陸沖擊試驗系統(tǒng)主要包括沖擊平臺、波形發(fā)生器、擺錘系統(tǒng)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等分系統(tǒng)，根據(jù)中國民航總局《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR 25部)第561條和第562條對于運輸類飛機(jī)應(yīng)急著陸的相關(guān)規(guī)定，各分系統(tǒng)的設(shè)計要點包括以下幾個方面[6-7]。

1)沖擊平臺。沖擊平臺應(yīng)滿足大型空運物資的承載要求，以及應(yīng)急著陸時的沖擊過載要求，即著陸沖擊試驗系統(tǒng)應(yīng)滿足最大16g沖擊過載的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2)波形發(fā)生器。波形發(fā)生器應(yīng)確保沖擊平臺達(dá)到一定的沖擊速度和動能撞擊后，產(chǎn)生沖擊過載波形。應(yīng)急著陸工況應(yīng)包括側(cè)向1.5g，航向3g、9g和16g，加載波形應(yīng)為三角波，載荷峰值對應(yīng)的時間點應(yīng)在規(guī)定時間以后出現(xiàn)。

3)擺錘系統(tǒng)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。擺錘系統(tǒng)應(yīng)在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的配合下，確保沖擊平臺與波形發(fā)生器撞擊的瞬間達(dá)到7.8 m/s的沖擊速度。

2.2 沖擊平臺仿真設(shè)計與校核

沖擊平臺主要由框架、鋼板、沖擊頭架、螺釘和系留環(huán)組成，如圖2所示。其中，框架和鋼板用于承載空運物資，沖擊頭架用于撞擊波形發(fā)生器、承載沖擊力，螺釘和系留環(huán)用于系留固定空運物資。

圖2 沖擊平臺設(shè)計圖Fig.2 Design diagram of impact platform

為確保沖擊平臺的剛度滿足要求，框架采用方鋼焊接而成，上面鋪設(shè)鋼板，鋼板和框架連接部位采用下部鉚焊，以保證上表面平整。沖擊頭架用于直接撞擊波形發(fā)生器，將碰撞力傳遞到縱向的框架上，再通過鋼板及系留環(huán)傳遞到空運物資。

根據(jù)當(dāng)前空運平臺的運載能力，沖擊平臺設(shè)計質(zhì)量約為7 t，空運物資質(zhì)量約為13 t，總質(zhì)量約為20 t。由于4種應(yīng)急著陸工況中航向沖擊16g為最惡劣的工況，因此選取航向沖擊16g進(jìn)行沖擊平臺的有限元校核。有限元校核按照20 t乘以16g，則有效載荷320 t，按照1.25倍的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計，則最大設(shè)計載荷可達(dá)400 t。

用靜態(tài)有限元校核試驗系統(tǒng)強(qiáng)度，沖擊平臺材料為Q345鋼，最大屈服強(qiáng)度為345 MPa。在ABAQUS的static general模塊下，將平臺劃分為163 510個四面體網(wǎng)格，材料彈性模量與泊松比分別是210 000 Pa和0.3。

根據(jù)計算，平臺最大慣性力約為3 200 kN，試驗過程中，波形發(fā)生器將沖擊載荷通過沖擊頭架傳遞至平臺，平臺通過系留系統(tǒng)傳遞至試驗件。故靜態(tài)校核取最大沖擊力3 200 kN載荷施加至平臺沖擊頭架，在沖擊平臺尾端施加位移約束為0，進(jìn)行有限元計算。

沖擊平臺仿真情況如圖3所示，對于沖擊校核情況，仿真得到平臺最大沖擊應(yīng)力約250 MPa,根據(jù)承載校核情況，框架承載主梁的最大承載應(yīng)力約為240 MPa。根據(jù)仿真計算，沖擊應(yīng)力和承載應(yīng)力均不超過材料屈服點，考慮為瞬態(tài)沖擊載荷。因此，沖擊平臺能夠滿足承載要求以及應(yīng)急著陸時的沖擊過載要求。

圖3 沖擊平臺仿真圖Fig.3 Simulation diagram of impact platform

2.3 波形發(fā)生器仿真設(shè)計

沖擊試驗過程中，沖擊平臺獲得一定沖擊速度后，撞擊波形發(fā)生器，波形發(fā)生器吸收沖擊能量，并產(chǎn)生定制的波形。由于《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》要求加載波形為三角波，波形發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊波形應(yīng)近似為三角波。因此，通過三角波設(shè)計計算得出不同工況條件下波形發(fā)生器達(dá)到峰值的時間，并以此為依據(jù)開展波形發(fā)生器的設(shè)計。

2.3.1 三角波設(shè)計計算

典型的三角沖擊波形如圖4所示[8-9]。設(shè)計工況包括航向載荷峰值3g、9g和16g，側(cè)向載荷峰值1.5g四個試驗工況，其中9g、16g峰值對應(yīng)時間τ大于50 ms，而1.5g、3g峰值對應(yīng)時間τ大于90 ms。

圖4 典型三角波形Fig.4 Typical triangular waveform

為確定波形發(fā)生器的行程、體積等主要參數(shù)，需要對系統(tǒng)三角波形的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算。

根據(jù)圖4的典型三角波形，加速度表示為：

(1)

對加速度積分得到速度表達(dá)式為：

(2)

對速度積分得到位移表達(dá)式：

(3)

設(shè)重力加速度為9.8 m/s2，計算結(jié)果見表1。對于加速度1.5g、3g的波形設(shè)計，按照三角波計算公式，將峰值達(dá)到時間設(shè)為0.09 s，峰值結(jié)束時間設(shè)為0.18 s。

表1 沖擊波形計算結(jié)果

2.3.2 波形發(fā)生器設(shè)計

基于小孔節(jié)流原理開展波形發(fā)生器[10]設(shè)計，如圖5所示，波形發(fā)生器主要由缸體、阻尼孔板、活塞和沖擊頭等組成。當(dāng)沖擊平臺撞擊波形發(fā)生器的沖擊頭時，波形發(fā)生器通過活塞壓縮內(nèi)部的流體介質(zhì)。為獲得定制波形，需要設(shè)計過水面積隨行程而實時變化的阻尼孔板，在沖擊過程中實現(xiàn)孔板面積的“小孔節(jié)流”。設(shè)計阻尼孔板為條形孔與圓孔相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)孔的個數(shù)和形狀，調(diào)節(jié)阻尼孔板的過水面積，從而對定制波形實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。

圖5 波形發(fā)生器仿真圖Fig.5 Simulation diagram of waveform generator

波形發(fā)生器的工作原理為：為產(chǎn)生三角波沖擊過載，波形發(fā)生器的阻尼孔隨著行程而變化。波形發(fā)生器以水為介質(zhì)，基于不可壓縮流體黏滯阻尼特性，當(dāng)水?dāng)D壓通過阻尼孔，產(chǎn)生阻尼力，并消耗沖擊能量[11-12]。

根據(jù)沖擊波形計算結(jié)果，波形發(fā)生器的活塞的有效行程設(shè)為1 m，為產(chǎn)生要求的三角減速波，阻尼孔板的過水面積(即等效阻尼孔面積)需要根據(jù)行程變化而變化，因此在阻尼孔板設(shè)計為條形孔與圓孔相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)孔個數(shù)調(diào)節(jié)過水面積，從而調(diào)整沖擊波形，慣性載荷計算公式為：

(4)

式中：ρ為密度，Ah為活塞面積，S為壓縮行程，Cd為流量系數(shù)，Ad為過水面積。

以應(yīng)急著陸9g和16g兩種惡劣工況為例進(jìn)行核算，將設(shè)計參數(shù)代入上式，得到波形發(fā)生器仿真設(shè)計曲線，如圖6所示。

(a) 16g

由于波形發(fā)生器活塞、沖擊頭慣性影響，沖擊平臺與沖擊頭接觸瞬間會有速度的損耗，將撞擊瞬間后的速度作為初始速度代入慣性載荷計算公式得到仿真曲線，從圖6中可以看出通過條形孔阻尼作用，過載仿真曲線的加速度曲線為近似三角形波形，能夠較好地實現(xiàn)沖擊波形要求。

2.4 擺錘系統(tǒng)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計[13]

擺錘系統(tǒng)主要由4根承力框架和4根擺繩構(gòu)成，其中承力框架固定安裝于龍門架，擺繩上端與承力框架鉸接、下端與沖擊平臺鉸接。為確保沖擊平臺在提升與沖擊過程中始終保持水平位置，且具有良好的穩(wěn)定性，采用4根擺繩進(jìn)行4點懸掛的結(jié)構(gòu)形式。通過沖擊平臺與擺繩之間連接松緊螺套等機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了沖擊平臺水平姿態(tài)、左右擺角姿態(tài)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)到±0.5 cm，且在自由吊裝狀態(tài)時，實現(xiàn)擺繩與沖擊平臺水平面保持垂直。

根據(jù)擺錘原理進(jìn)行核算，為實現(xiàn)沖擊平臺與波形發(fā)生器撞擊的瞬間達(dá)到最高7.8 m/s的沖擊速度，沖擊平臺應(yīng)提升3.1 m的高度，則設(shè)計承力框架離地高度為17 m，單點設(shè)計拉伸載荷為15 t。通過有限元仿真計算，進(jìn)行擺錘系統(tǒng)承力框架應(yīng)力分析，校核最大應(yīng)力約50 MPa，能夠滿足使用要求。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖7所示，其基本功能包括：一是通過鋼絲繩經(jīng)轉(zhuǎn)接支座連接沖擊平臺，牽引提升沖擊平臺；二是沖擊平臺被提升到位后，通過投放鎖釋放沖擊平臺進(jìn)行沖擊。為配合實現(xiàn)4種應(yīng)急著陸工況，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)共設(shè)置了4個轉(zhuǎn)接支座的安裝高度，以滿足沖擊平臺提升高度的要求。

圖7 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)Fig.7 Guiding mechanism

2.5 設(shè)計指標(biāo)實現(xiàn)情況

為驗證設(shè)計指標(biāo)實現(xiàn)情況，對設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行測量與核算，基本情況為：

1)沖擊平臺平面尺寸實測值：10 000 mm×3 400 mm；

2)沖擊平臺負(fù)載實測值：沖擊平臺7 t，空運物資質(zhì)量13 t，合計20 t；

3)最大沖擊峰值：按照沖擊平臺負(fù)載20 t乘以16g，則有效載荷320 t，按照1.25倍的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計，則最大沖擊載荷的峰值為400 t；

4)最大沖擊過載：滿足最大16g的過載要求；

5)有效沖程：對于1.5g橫向過載而言，由于過載相對較小，有效沖程較小，采用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)牽引沖擊平臺，實測達(dá)到1.5 m時，可實現(xiàn)1.5g過載。

3 大型橡膠容器應(yīng)急著陸試驗驗證

大型橡膠容器可用于快速、立體的液體運輸，具有運量大、可靠性高的優(yōu)點。為檢驗大噸位液體危險品在應(yīng)急著陸極端情況下的安全性，確保空運安全，采用大型橡膠容器裝運大噸位液體危險品，通過著陸沖擊試驗系統(tǒng)對大型橡膠容器應(yīng)急著陸進(jìn)行實裝驗證[14-17]。

試驗基本流程包括：將大型橡膠容器固定安裝于沖擊平臺，采用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)配合擺錘系統(tǒng)將沖擊平臺提升至預(yù)定高度，設(shè)定波形發(fā)生器的初始行程、阻尼蓋板寬度等參數(shù)，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)釋放沖擊平臺，依次進(jìn)行航向3g、9g、16g和側(cè)向1.5g的應(yīng)急著陸沖擊試驗。

測控系統(tǒng)主要包括：通過在沖擊平臺和大型橡膠容器上安裝多個加速度傳感器，用于測試試驗系統(tǒng)的加速度。通過高速攝像設(shè)備記錄試驗系統(tǒng)沖擊瞬間大型橡膠容器的動態(tài)位移，包括容器整體位移和因內(nèi)部流體涌動產(chǎn)生的容器形變位移。在擺桿下端貼應(yīng)變片監(jiān)測拉伸載荷，用于推算大型橡膠容器的質(zhì)心變化；在系留固定帶與系留環(huán)之間安裝力傳感器，用于測試固定帶拉力，并推算其應(yīng)力變化；在系留環(huán)上貼應(yīng)變片，用于監(jiān)測系留環(huán)應(yīng)力應(yīng)變；采用抗沖擊采集器，將上述傳感器和應(yīng)變片固定在沖擊平臺。試驗的沖擊波形如圖8所示。

(a) 3g

由于大型橡膠容器內(nèi)部裝運為流體，綜合考慮橡膠容器內(nèi)液體的晃動、平臺的彈性變形等影響因素，沖擊波形可視為近似三角波，沖擊過載值越大，內(nèi)部擾動對波形結(jié)構(gòu)的影響越大。

通過試驗結(jié)果分析得到試驗的主要控制、測量參數(shù)見表2。

表2 試驗結(jié)果

根據(jù)沖擊波形和試驗結(jié)果，4次沖擊試驗的波形均近似為三角波，與仿真曲線波形相似，過載峰值分別為3.06g、9.02g、16.20g、1.54g，與目標(biāo)峰值最大相對誤差小于3%，峰值對應(yīng)時間大于50 ms，符合試驗設(shè)計要求。

通過在沖擊頭架和波形發(fā)生器上布置加速度傳感器，用于測試沖擊過載量值。同時，根據(jù)粘貼在大型橡膠容器上應(yīng)變片監(jiān)測的應(yīng)變值可知：橡膠容器3g沖擊工況最大應(yīng)變?yōu)?.247×10-3ε，9g沖擊工況最大應(yīng)變?yōu)?.570×10-3ε，16g沖擊工況最大應(yīng)變?yōu)?.236×10-2ε。由于16g工況試驗條件下，大型橡膠容器與沖擊平臺之間系留固定有效，試驗結(jié)束后橡膠容器狀態(tài)完好無破損。因此，大型橡膠容器及其系留固定裝置能夠滿足運輸類飛機(jī)應(yīng)急著陸過載要求，在應(yīng)急著陸過程中不會對飛機(jī)造成二次傷害。

4 結(jié)論

1)依據(jù)《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》，針對現(xiàn)有空運平臺的大噸位機(jī)載物資對沖擊平臺的承載要求，以及波形發(fā)生器產(chǎn)生沖擊過載的三角波形、擺錘系統(tǒng)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)確保7.8 m/s的沖擊速度等要求，通過沖擊平臺仿真設(shè)計與校核、波形發(fā)生器仿真設(shè)計、擺錘系統(tǒng)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)新性構(gòu)建了基于擺錘式?jīng)_擊方式的大噸位著陸沖擊試驗系統(tǒng)，相比于國內(nèi)傳統(tǒng)沖擊試驗平臺有效負(fù)載6 t的現(xiàn)狀，本文試驗系統(tǒng)的有效負(fù)載約達(dá)20 t，最大沖擊載荷達(dá)到400 t。

2)基于小孔節(jié)流原理，設(shè)計并研制了高量值減速型沖擊波形發(fā)生器，相對于傳統(tǒng)的空氣式和液壓緩沖式方法，該波形發(fā)生器具有承受緩沖力大、波形調(diào)節(jié)范圍廣、性能穩(wěn)定、便于波形微調(diào)等優(yōu)點。

3)以大型橡膠容器作為典型空運物資進(jìn)行實裝試驗，結(jié)果表明：4次沖擊試驗的波形均近似為三角波，與仿真曲線波形相似，過載峰值分別為3.06g、9.02g、16.20g、1.54g，與目標(biāo)峰值最大相對誤差小于3%，峰值對應(yīng)時間大于50 ms，試驗系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

4)著陸沖擊試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了國內(nèi)現(xiàn)有空運平臺的大噸位機(jī)載設(shè)備噸位全覆蓋，可有效模擬和考核空運物資的應(yīng)急著陸狀態(tài)，該系統(tǒng)可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于空運平臺的研制，對于確保飛行安全，降低研制風(fēng)險，提高空運平臺的適航性具有重要的現(xiàn)實意義。