垂尾動態(tài)疲勞試驗一體化框架設計

李洪文+劉崇銳+李揚眉+姜小玉+王凱+賀偉

摘 要：針對現(xiàn)代戰(zhàn)機垂尾動態(tài)疲勞試驗設計一套一體化加載框架，主要介紹了一體化框架在飛機結構強度試驗中的設計流程及要點，驗證了一體式框架在動態(tài)疲勞試驗中的可行性。

關鍵詞：一體化框架;垂尾;動態(tài)疲勞;抖振試驗

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

現(xiàn)代戰(zhàn)機結構強度試驗需要模擬大攻角飛行時飛機尾翼及后機身結構產(chǎn)生強烈振動情況，即尾翼、后機身抖振試驗，澳大利亞就針對F/A-18后機身和尾翼進行了動態(tài)疲勞試驗，如圖1。在飛機垂尾動態(tài)疲勞試驗中，一體化框架是很重要的結構，既要解決加載設備的固定、載荷的施加等問題，又要方便試驗件的安裝、檢測，同時需要結構緊湊，美觀實用。本文以我國某型飛機動態(tài)疲勞試驗為例，介紹在抖振試驗中一體化框架設計流程和思路。

圖1 ?F/A-18后機身和尾翼進行了動態(tài)疲勞試驗

1 ?一體化框架技術指標

某型飛機動態(tài)疲勞試驗加載結構如圖2 所示，試驗條件如下：加載設備，每套自重G（左右垂尾各一套）;加載設備施加靜載（合力）F1，沿翼面垂直方向;加載設備施加振動推力F2，工作頻率：f ，沿翼面垂直方向;垂尾外傾a（°）。

圖2 ?加載結構示意圖

根據(jù)圖2加載結構，通過比較選擇雙跨雙坡固定支座鋼架門式結構，加載設備吊裝在龍門架上，結構簡化示意如圖3所示，沿飛機航向前后共三排，將整套加載設備包含在內(nèi)。

圖3 ?一體化框架結構簡化示意圖

2 ?詳細設計

一體化框架設計重點要把所受載荷進行簡化、分解，確定每個部件所受載荷情況，進而細化到部件內(nèi)部型材、連接件等基本單元受力情況，據(jù)此就可以選擇合適材料及結構。以此框架為例：

2.1 ?分析主要部件受載情況

框架為左右對稱結構，試驗過程中受載也是對稱的，所以此處可以選取半結構進行受力分析，鋼結構框架可以忽略自身重力情況下，受載如圖4。

圖4 ?結構受力簡化分析圖

可知梁共承受G，F(xiàn)，M三種載荷，可分別計算然后疊加主要有兩種計算方法：

（1）以加載設備自重載荷G為例，因為受力情況典型且簡單，可以直接運用公式求得：

彎矩：

剪力：

撓度：

式中：FP為垂直桿分力;E為材料彈性模量;I為截面的軸慣性矩。

根據(jù)結果可以畫出剪力-彎矩圖

（2）非典型情況也可以利用力法典型方程：同樣以加載設備自重載荷G為例，取懸臂梁為基本系，解除超靜定，可知為3次超靜定結構，建立力法典型方程：

式中：Fi為待求解的未知力;δxy為外載荷單獨作用在基本系上且Fi=1時，作用點沿Fi方向的位移;Δip為外載荷單獨作用在基本系上時，作用點沿Fi方向位移。綜上所述，系數(shù)和自由項都表示位移，可用位移計算公式進行計算。

求得多余未知力后，結合計算過程中已做出的單位彎矩圖和載荷彎矩圖，根據(jù)疊加原理可求出內(nèi)力并繪制內(nèi)力圖。

在進行超靜定結構的位移計算時，由于基本結構在外載荷及多余未知力的工作作用下的受力情況和變形情況與原結構完全相同，故計算原結構的位移就可直接在基本系上進行。這樣，超靜定結構的位移計算轉(zhuǎn)化為靜定問題，用圖乘法就可以求解了。

由于柱-梁采用固支，求得主要梁兩端支點受力情況，根據(jù)作用力與反作用力原則，可知立柱頂端受載情況，同理，其他部件的受載可利用該原則遞次順序確定。

2.2 ?分析主要構件受載情況

如3.1所求得主要部件受力情況，分解到基本單元——型材的受載情況，計算彎曲應力，剪切應力?？珊喕沙o定結構下桿件的拉-彎-扭等組合受力情況，根據(jù)不同情況校核拉伸（壓縮）、擠壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓桿穩(wěn)定以及多向應力下強度條件等，這些都是典型且基本的力學問題，本文不做過多介紹。

2.3 ?連接設計

部件之間、型材之間連接很重要，構架的失效往往出現(xiàn)在連接部位，同時，有限元分析有時不能很好模擬連接部位的實際情況及邊界條件，存在很大的不確定性，所以設計過程中要有足夠的考慮。

（1）焊縫連接：承受振動載荷的框架，部件之間主要連接方式采用螺栓連接，部件本身需要采用焊縫工藝的，建議采用深熔角焊縫，要求必須焊透。避免用焊角大于135°小于60°的斜角焊縫。如圖5：

圖5 ?焊縫結構簡化示意圖

其中hf為焊角尺寸，也叫焊縫厚度，取值一般，t為母材厚度;he有效焊縫厚度角焊縫強度計算公式如下：

式中：M為焊縫所受彎矩;We全部焊縫有效截面模量;N⊥為垂直于焊縫長度方向作用力;N∥為平行于焊縫長度方向作用力;βf正面角焊縫的強度設計增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接動力荷載的結構， βf=1.22，對直接承受動力荷載的結構，βf=1.0;lw焊縫計算長度，一般取值實際長度減去2hf，同時要求滿足8hf≤lw≤60hf;f wf為角焊縫強度設計值，可以查手冊得出。

（2）螺栓連接：采用高強度螺栓的摩擦型連接設計方法，它依靠連接板件間的摩擦阻力來承受荷載，并以剪力不超過接觸面摩擦力作為設計準則。簡單受力情況下螺栓校核受拉、受剪、以及接觸面的擠壓，此處不做過多介紹。主要介紹在高強度螺栓摩擦型連接設計原則下，螺栓群同時承受拉壓載荷的計算過程。如圖6所示。

圖6 ?螺栓群連接示意圖

要求螺栓強度滿足：

式中：m為螺栓的列數(shù);y1為最上端螺栓至中和軸距離，坐標原點在螺栓群中心;P為高強螺栓預緊力，可查手冊得出;nf為傳力摩擦面數(shù)目，單剪時取1，雙剪時取2;μ為摩擦面抗滑移系數(shù)，可查手冊得出。

2.4 ?結構優(yōu)化

根據(jù)受力情況及計算結果，最終優(yōu)化設計結構如圖7。

圖7 ?一體化框架三維模型圖及實際安裝圖

主要部件功能：

上固定盤——主要承受加載設備重量及大部分試驗載荷，同時承擔安裝過程中加載設備的起吊工作，型鋼之間可以安裝氣囊加載設備的輔助工具如儲氣罐等;

下支撐盤——主要承受側向試驗載荷，避免較大彎矩的傳遞對上固定盤影響，輔助承擔垂向載荷，同時作為檢查平臺可以方便人員就近觀察試驗件情況;

坡式橫梁——起主要梁作用，同時滿足加載設備對試驗角度要求;

前、后排立柱——起主要立柱作用，承擔加載設備重量、試驗載荷及構架自身重量，同時承擔與地面固定作用;

中間立柱——主要支撐下支撐盤作用，考慮加載設備側向進出安裝，降低對廠房高度的要求，故優(yōu)化降低中間立柱高度，不承擔支撐上固定盤的作用。

中間外伸梁——承擔坡式橫梁一側支撐作用，同時讓出試驗件空間，方便試驗件的固定及進出。

用Abaqus進行有限元分析，強度安全系數(shù)在4以上，剛度及模態(tài)分析如圖8所示。

圖8 ?一體化框架剛度及模態(tài)分析圖

3 ?設計要點

（1）材料的選擇。比較常用的是Q235和Q345，當強度起控制作用時，可選擇Q345;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。從經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345，腹板Q235）。另外，焊接結構宜選擇Q235B或Q345B。

（2）通過選取截面尺寸大、壁較薄型材，設計合適位置的支托以及斜撐等措施，增加框架剛度，避免影響加載設備的安裝及對加載精度的影響。

（3）盡量增加框架底部柱腳間斜撐及壓梁，一個作用增加整體穩(wěn)定性，降低振動影響;另一個作用在于降低整體重心，提高自身模態(tài)，避免引起工作區(qū)域頻率的共振。

（4）框架本身結構性質(zhì)決定其自身模態(tài)不會很高，通過結構上的改進只能達到事倍功半的效果，且失去了鋼結構輕便的優(yōu)點。在避免引起共振的措施上采用在振動設備上安裝空氣減振器的方法解決，通過2 Hz頻率的隔振，可以有效避免框架對自身模態(tài)的影響（自身頻率高于其頻率的3倍以上）。

（5）在螺栓連接的接觸面上，采用噴砂（丸）處理，以增加摩擦面的抗滑移系數(shù)μ值;采用承托板或掛鉤結構，避免螺栓受全部剪力。常用高強螺栓在M16～M30之間選擇，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，應慎重使用，如圖9所示。

圖9 ?連接示意圖

（6）采用對接焊縫的結構件，要求二級探傷標準，由于焊縫質(zhì)量為一級、二級的對接焊縫的強度與母材相等，即只要鋼材強度已經(jīng)滿足要求，則焊縫強度同樣能滿足要求（有引弧板時），故只有三級質(zhì)量的焊縫在受拉時才需要進行焊縫抗拉強度計算。如果直縫不能滿足要求，可采用斜對接焊縫，當焊縫與作用力之間的夾角θ滿足tan θ≤1.5時（θ≤56.3°），斜焊縫的強度不低于母材，可不必再驗算焊縫。焊條的選用應和被連接金屬材質(zhì)適應。E43對應Q235，E50對應Q345， Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是E50。

（7） 設計要考慮在起吊安裝過程中上固定盤會單獨承擔加載設備及自身重量，強度及剛度要滿足，同時，吊環(huán)的位置也很重要，不能產(chǎn)生吊裝變形，防止與坡式橫梁上安裝孔不能很好對接。也要考慮一體式框架在安裝工程中，會是半結構承載形式，與試驗過程中的對稱受載情況不同，在這種情況下，對框架的強度及剛度要單獨驗算符合承力要求或?qū)嫾懿扇∨R時支托與保護。

（8）在設計過程中，要充分考慮運輸、安裝的方便性，在不影響強度等的條件下，減小單個零部件的尺寸，這樣也可降低采購及加工費用，同時可降低吊裝過程中對環(huán)境空間的要求，包括廠房高度，吊車噸位，地面強度等。

（9）剛接柱腳的構造要求是能同時傳遞軸力N和彎矩M。柱腳構造要保證傳力明確，它與基礎的連接要堅固，并要便于制造和安裝，柱腳設計要充分考慮混凝土及灰土層承載能力。

（10）節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。

（11）本次設計一體化框架用于振動疲勞試驗，設計過程除了考慮靜載荷作用，也不能忽略動載荷的影響。結構的動力反應與結構的動力特性密切相關，而結構的動力特性是結構其本身的固有性質(zhì)，與載荷無關，因此，分析結構的自由振動是動力計算的前提，其基本原理是達朗貝爾原理，也稱動靜法。本次一體化框架設計采用軟件有限元分析整體結構前十階模態(tài)作為設計依據(jù)。

（12）一體化框架設計軟件的選擇，較全面及專業(yè)的國內(nèi)軟件是PKPM，界面清晰易懂，內(nèi)容權威，另外就是3D3S，建模方便，國外軟件可選用SAP2000;側重繪圖一般可優(yōu)選AUTOCAD，TSSD;側重平面桿系結構內(nèi)力位移計算的可采用清華大學袁駟教授研制的結構力學求解器。優(yōu)秀的結構軟件可以為設計人員降低工作量，需要強調(diào)的是，任何一款軟件在優(yōu)化設計或復雜連接處的驗算都存在不同程度的問題，工程師們過分信任與依賴結構軟件有可能帶來結構災難，所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構件，我們應該逐個檢查。本次一體化框架設計由于考慮與試驗件模型的兼容，三維建模選用了CATIA，二維繪圖選用了AUTOCAD及CAXA。

4 ?創(chuàng)新點

（1）首次將一體式框架引入動態(tài)疲勞試驗中，驗證了一體化框架在振動試驗中使用的可行性，梳理了設計設計流程和設計要點;

（2）首次將坡式結構龍門架引入飛機強度試驗中，為一體式框架的結構形式提供了更多的選擇思路;

（3）首次采取將框架搭建好，最后將飛機推入的工作順序，為試驗件的安全防護提出了新的解決方案

5 ?結 ?語

一體化框架主要部件及型材的受力，復雜情況下也無非是彎—剪—扭組合，可逐一計算進行疊加，繪制出剪力彎矩圖即可弄清各結構的受力情況。設計重點還是要關注連接部位及節(jié)點，該處是很復雜也是最容易出現(xiàn)失效情況的部位，必要時要進行驗證性試驗，取得關鍵數(shù)據(jù)。

一體化框架技術在飛機結構強度試驗中的應用是一種發(fā)展趨勢，以往的使用經(jīng)驗都是在靜力/疲勞試驗中的應用，此次首次應用于抖振試驗，通過新的設計流程及方法，驗證了一體式框架在飛機結構試驗中的可行性和先進性，為以后該項技術的進一步發(fā)展應用提供了思路。

參考文獻

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