新一代機身壁板壓剪載荷試驗臺結構設計

趙通來， 楊武剛， 王蘭， 余韶陽

（中國飛機強度研究所， 強度與結構完整性全國重點實驗室， 陜西西安 710065）

0 前言

機身壁板壓剪載荷試驗用于確認機身壁板的穩定性及獲取臨界應力和設計許用值［1－2］。 機身壁板試驗由于邊界條件設計、 載荷干涉分離及試驗設備要求等具有較強的復雜性及技術難度， 機身壁板壓剪載荷試驗一般采用專用的試驗裝置完成。 近年來， 國內外科研工作者對于機身壁板壓剪復合載荷試驗裝置做了很多研究。 國外有代表性的試驗裝置為NASA 開發的COLTS （Combined Loads Test System） 裝置， 該裝置可施加軸壓、 扭轉及內壓等載荷［3］。 Boeing 公司公開的關于E－fixture 機身壁板綜合試驗的一項專利， 可模擬實際飛行載荷狀態下的機身曲壁板蒙皮－長桁－框載荷［4］。 德國IMA 公司于2011 年研發了第五代機身壁板試驗裝置， 可完成機身壁板的多種復合載荷強度試驗。 國內方面， 中國飛機強度研究所自主研發了大型機身壁板復雜載荷靜力/疲勞試驗裝置、 機身壁板綜合試驗裝置（FPTS） 等［5－10］。 王彬文等［11］詳盡地綜述了國際上近年來的壁板試驗技術的發展情況。

不同型號飛機的壁板尺寸規格不同， 其航向長度也不同。 目前已知的壁板壓剪試驗臺中壁板試驗件航向安裝空間為固定尺寸， 試驗臺只能適用于一種尺寸壁板的加載試驗， 對于不同尺寸的壁板試驗， 需要設計專用夾具或者研發不同尺寸的試驗臺， 試驗周期較長， 經濟成本較大。

本文作者介紹加載空間可以根據試驗件長度調節的機身壁板壓剪載荷試驗臺結構的設計方法。

1 試驗臺設計方案

1.1 機身壁板壓剪載荷試驗原理

機身壁板壓剪載荷試驗原理如圖1 所示。 機身壁板一端頭安裝在承載裝置上， 另外一端頭安裝在加載頭上； 3 個壓縮作動筒通過分配載荷， 將合力調至壁板截面形心， 拉動加載頭給壁板施加壓縮載荷； 2 個剪切作動筒通過推/拉加載頭使加載頭繞旋轉中心轉動， 給壁板施加剪切載荷， 加載頭旋轉中心為壁板弦長中心。

圖1 機身壁板壓剪載荷試驗原理Fig.1 Principle of fuselage panel compression shear load test

1.2 試驗臺設計方案

試驗臺結構主要由支撐座、 可移動式承載裝置、自平衡加載機構、 扣重托架等組成， 如圖2 所示。 支撐座是試驗臺的基座， 試驗臺其余部件均安裝在支撐座上。 試驗臺加載空間調節通過可移動式承載裝置實現； 壓縮載荷及剪切載荷通過液壓作動筒拉動自平衡加載機構施加， 加載頭通過自平衡扣重系統吊掛在支撐座上， 3 個水平方向液壓作動筒通過分配載荷將合力調整至機身壁板截面形心， 拉動加載頭沿航向平動給機身壁板施加壓縮載荷； 2 個豎直方向液壓作動筒拉/推動加載頭繞中心轉軸旋轉給機身壁板施加剪切載荷； 機身壁板及夾具的扣重通過扣重托架實現［12－15］。

圖2 機身壁板壓剪載荷試驗臺Fig.2 Fuselage panel compression shear load test－bed

2 試驗臺關鍵機構設計方法

2.1 可移動式承載裝置設計

2.1.1 可移動式承載裝置結構設計

設計了一種能夠便捷移動位置并快速固定的承載裝置， 使試驗臺航向加載空間可以調節， 以滿足不同長度壁板的試驗需求。 可移動式承載裝置主要由承載框體、 行走滾輪、 限位機構、 定位機構、 驅動機構組成， 如圖3、 4 所示， 雙點劃線為試驗臺結構。

圖3 可移動式承載裝置Fig.3 Movable load－bearing device： （a） main view；（b） left view

2.1.2 可移動承載裝置防傾翻設計

由于承載裝置的結構特點， 它在移動的過程中可能會發生傾翻， 如圖4 所示。

圖4 承載裝置傾翻示意Fig.4 Schematic of the tilting of load－bearing device

建立可移動式承載裝置的防傾翻力學模型如圖5所示。 根據承載裝置結構， 給出承載裝置傾翻的臨界條件， 計算承載裝置行走時摩擦阻力（移動所需牽引力）， 根據理論牽引力計算滾輪間距L的取值范圍， 并根據分析結果給出設計建議。

圖5 承載裝置防傾翻力學模型Fig.5 Mechanical model of anti－tilting of load－bearing device

圖6 滾動摩擦系數定義Fig.6 Definition of rolling friction factor

如圖5 所示， 若承載裝置不傾翻， 應滿足以下條件：

F·H ＜G·L（1）

由于試驗臺尺寸要求及承載框體強度要求， 承載裝置高度H及重力G已經確定， 此時影響承載裝置傾翻的設計變量僅剩L， 為了避免承載裝置傾翻， 需要計算L的取值范圍， 根據式（1） 可得：

式中：r為滾輪半徑。

軟鋼與軟鋼的滾動摩擦系數：

將數據代入式（5） 可得承載裝置移動摩擦阻力為

在承載裝置實際移動過程中， 行走滾輪可能遇到軌道表面雜質等的阻力， 實際移動阻力要高于理論阻力值， 因此， 實際牽引力也要高于理論牽引力， 要盡可能地提高承載裝置傾翻臨界牽引力以減小其傾翻風險。 承載裝置傾翻的臨界牽引力為

由式（9） 可知： 傾翻臨界牽引力與L成正比，L越大， 傾翻臨界牽引力越高， 因此在允許范圍內，要將L值取得盡可能大。

根據以上分析， 可以通過以下兩方面來降低承載裝置傾翻的風險：

（1） 盡可能提高傾翻臨界牽引力， 即盡可能加大L；

（2） 盡可能減小實際牽引力， 即盡可能減小承載裝置移動阻力。

根據以上建議設計試驗臺和承載框體結構， 將L取到最大； 為滾輪設計了專用滑軌， 滑軌表面粗糙度Ra＝1.6 μm， 以減小滾輪滾動摩擦力。 最終設計的行走滾輪結構如圖7 所示。

圖7 行走滾輪Fig.7 Walking roller

2.2 自平衡加載機構設計

2.2.1 自平衡加載機構設計

機身壁板壓縮載荷及剪切載荷通過自平衡加載機構施加， 如圖8 所示， 自平衡加載機構由加載頭、 中心轉軸及自平衡扣重系統組成。 中心轉軸約束加載頭的運動， 只有2 個自由度被釋放： 沿轉軸軸線（航向） 平動（施加壓縮載荷） 及繞轉軸轉動（施加剪切載荷）。 加載頭通過自平衡扣重系統吊掛在支撐座上， 2 個吊掛點與轉軸中心在同一水平高度。 自平衡扣重系統主要由滑輪、 載荷傳感器、 松緊螺套、 鋼絲繩及連接桿組成。

圖8 自平衡加載機構Fig.8 Self balancing loading mechanism

2.2.2 加載頭吊掛點設計

在施加剪切載荷時， 加載頭會旋轉一定角度， 導致兩側吊掛鋼絲繩張力作用線相對重心力臂發生變化，此時加載頭將處于不平衡狀態， 需要額外附加扭矩使加載頭保持此狀態； 當加載頭旋轉一定角度時， 扣重系統鋼絲繩會被拉長。 加載頭吊掛點設計過程如下。

若將吊掛點設置在加載頭上表面， 如圖9 （a）所示。 當加載頭轉動至極限轉角10°時， 鋼絲繩擺動角度及鋼絲繩到加載頭重心力臂變化如圖9 （b）所示。

圖9 吊掛點初始設計方案Fig.9 Initial design plan for hanging points： （a）before rotation； （b） after rotation

若采用此方案， 當加載頭轉動10°時， 經過計算：

則力臂差：

鋼絲繩張力不變， 還是加載頭自重的一半：

則加載頭保持此狀態需要的附加扭矩為

2 個剪切作動筒跨距為4.5 m， 則每個作動筒分擔的附加載荷為

加載頭轉動一定角度后， 吊掛鋼絲繩總長度發生變化。 當加載頭轉動10°時， 經過計算， 吊掛鋼絲繩的總長度被拉長80 mm。 由于鋼絲繩伸長率過高， 會引起更高的附加載荷。

經過分析， 吊掛點垂直高度越靠近旋轉中心水平高度， 加載頭保持其不平衡狀態而引入的附加載荷就越小， 鋼絲繩伸長率也越小。 最終將吊掛點設置在與旋轉中心同一水平高度， 如圖10 所示。

圖10 吊掛點最終設計方案Fig.10 Final design plan for hanging points： （a）before rotation； （b） after rotation

在該設計方案下， 當加載頭轉動到最大角度±10°后， 2 個吊掛鋼絲繩對加載頭重心的力臂分別為

則力臂差為

鋼絲繩張力不變， 還是加載頭自重的一半：

則附加扭矩為

2 個剪切作動筒跨距為4.5 m， 則每個作動筒分擔的附加作用力為

故當加載頭轉動±10°時， 2 個剪切作動筒提供附加載荷0.59 kN。

經過計算， 此吊掛位置下鋼絲繩伸長0.23 mm。該吊掛點方案滿足試驗要求。

3 試驗臺調試

為了驗證試驗臺載荷施加方法的合理性及試驗臺的安裝精度， 對試驗臺進行載荷調試。 利用試驗臺對試驗假件進行加載， 在假件表面粘貼應變片， 測量試驗假件的變形情況， 應變片分布情況如圖11 所示。

圖11 應變片分布Fig.11 Distribution of strain gauge

分析壓縮載荷及剪切載荷同時加載工況， 加載過程為： 0→1 600 kN ＆ 1 200 kN·m→0。 某測量點的應變隨著加載過程的變化情況如圖12 所示。

圖12 應變變化過程Fig.12 Strain change process

由圖12 可以看出： 試驗臺加載過程線性度良好，證明了試驗臺載荷施加方法合理， 自平衡加載機構設計滿足試驗要求。

分析了各測點的應變分布情況， 如圖13 所示。

從圖13 試驗假件應變分布可以看到： 試驗假件應變分布均勻度良好， 說明試驗臺精度滿足要求。

4 小結

文中設計了加載空間可以根據機身壁板尺寸調節的新一代機身壁板壓剪載荷試驗臺。 對試驗臺進行了功能調試， 試驗臺各關鍵機構功能正常， 滿足使用要求； 對試驗臺進行了載荷調試， 分析試驗假件應變數據， 試驗臺加載線性度及均勻性良好， 試驗臺載荷施加方法及試驗臺安裝精度滿足試驗要求。 新一代機身壁板壓剪載荷試驗臺設計滿足試驗要求。