基于安全性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)技術(shù)

王 海

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所?全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西?西安?710065）

飛機(jī)地面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，常規(guī)的靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷主要是氣動(dòng)載荷、慣性載荷及起落架地面載荷，試驗(yàn)時(shí)簡化成離散的節(jié)點(diǎn)力施加。現(xiàn)有的常規(guī)試驗(yàn)加載方法[1]（如膠布帶、拉壓墊、接頭等），造成安全事故時(shí)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)人員的影響較小，試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)可控。而結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)是一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的試驗(yàn)[2-3]。通常對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)來說，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)的部位主要包含座艙、機(jī)翼或機(jī)身油箱、進(jìn)氣道等；運(yùn)輸類飛機(jī)還包括機(jī)身增壓艙、增壓駕駛艙、水箱、氣密艙等部位。在新型飛機(jī)研制過程中，需要進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)，充分驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的氣密性和抗壓強(qiáng)度。國內(nèi)針對(duì)不同類型飛機(jī)、不同密閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，從試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)安全保護(hù)參數(shù)設(shè)置、人員設(shè)備安全、現(xiàn)場保護(hù)措施等多方面，已經(jīng)形成了一套完整的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和實(shí)施流程[4-6]。本文在總結(jié)以往充壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)安全性設(shè)計(jì)角度開展研究，提出了基于安全性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)方法。

1??結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)

在飛機(jī)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)載荷是通過向結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入高壓空氣實(shí)現(xiàn)載荷施加，載荷類型和加載方法具有特殊性。無論針對(duì)何種密閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行充壓，試驗(yàn)方法和流程基本一致，試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要從試驗(yàn)件、充壓設(shè)備、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等4個(gè)部分展開。根據(jù)整個(gè)設(shè)計(jì)流程，分析試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)件、測控設(shè)備、安全保護(hù)措施進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，形成完備的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)大綱。圖1為試驗(yàn)件及試驗(yàn)所涉及的主要設(shè)備，圖2為結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)原理圖。

2??結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

圖1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備

圖2 結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)原理圖

為有效降低結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，需要在試驗(yàn)設(shè)計(jì)前期，溝通好試驗(yàn)件狀態(tài)和試驗(yàn)任務(wù)書要求，確認(rèn)好試驗(yàn)件充氣口、反饋口、保護(hù)口、氣壓載荷等具體要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中針對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)避或降低安全風(fēng)險(xiǎn)。在試驗(yàn)實(shí)施環(huán)節(jié)，增加安全保護(hù)措施，加強(qiáng)試驗(yàn)現(xiàn)場安全管理。針對(duì)試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)分析和識(shí)別，充分預(yù)估試驗(yàn)關(guān)鍵過程和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，做好安全防護(hù)措施，并制定應(yīng)急預(yù)案，有效防止試驗(yàn)件發(fā)生破壞，避免試驗(yàn)出現(xiàn)控制環(huán)路失效、保護(hù)措施失效、數(shù)據(jù)監(jiān)控異常等，加強(qiáng)試驗(yàn)各環(huán)節(jié)溝通和協(xié)調(diào)。

結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)安全主要包括試驗(yàn)件安全、人員安全、數(shù)據(jù)安全等3個(gè)方面，試驗(yàn)主要存在的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)如下。

（1）試驗(yàn)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足或缺陷導(dǎo)致充壓過程中爆炸。

（2）傳感器反饋錯(cuò)誤或失靈導(dǎo)致充壓控制系統(tǒng)控制回路故障。

（3）充壓過程不穩(wěn)定，過充導(dǎo)致加載誤差過大。

（4）結(jié)構(gòu)嚴(yán)重漏氣導(dǎo)致氣體凈流入為負(fù)，無法繼續(xù)加載。

（5）充壓過程中控制系統(tǒng)意外卸壓，應(yīng)急卸載保護(hù)措施不充分。

3??結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)安全性設(shè)計(jì)

安全性是設(shè)計(jì)出來的，試驗(yàn)設(shè)計(jì)不完善或存在缺陷，將可能引入較嚴(yán)重的潛在危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致發(fā)生安全事故[7]。要確保結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)全過程的本質(zhì)安全，要加強(qiáng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)源頭。安全性設(shè)計(jì)從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”全方位開展設(shè)計(jì)，并制定有效的保護(hù)措施和應(yīng)急預(yù)案。因此，基于安全性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)，可以充分保證試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施流程中每個(gè)環(huán)節(jié)的安全性和可靠性。針對(duì)結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)，本文通過總結(jié)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和分析試驗(yàn)流程，從以下7個(gè)方面開展詳細(xì)的安全性設(shè)計(jì)，達(dá)到規(guī)避或降低試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的目的?；诎踩栽O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)原理圖如圖3所示。

圖3 基于安全性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)原理圖

（1）結(jié)構(gòu)容積填充。由于空氣壓縮比大，要達(dá)到試驗(yàn)充壓載荷，充入結(jié)構(gòu)的氣體體積是結(jié)構(gòu)容積的數(shù)倍。為了減少充氣量，減小意外爆炸時(shí)的能量，填充物一般采用塑料泡沫，填充時(shí)將泡沫用編織袋裝好扎緊或用帆布包裹嚴(yán)實(shí)。填充完畢后，將試驗(yàn)件充氣口、反饋孔和保護(hù)孔用鐵絲濾網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，并清理附近的雜物，防止氣孔堵塞。

（2）整流及調(diào)節(jié)流量。由于大部分飛機(jī)充壓結(jié)構(gòu)容積相比氣源流量來說，都屬于小容積空間，為了增加流入結(jié)構(gòu)氣流的穩(wěn)定性，在充氣臺(tái)后端串聯(lián)一至兩個(gè)儲(chǔ)氣罐，起到穩(wěn)流和調(diào)節(jié)流量的目的。

（3）三閥聯(lián)動(dòng)應(yīng)急卸載保護(hù)裝置[8]。杜峰等人研發(fā)了三閥聯(lián)動(dòng)應(yīng)急卸載保護(hù)裝置，用于試驗(yàn)應(yīng)急卸載或試驗(yàn)件意外破壞時(shí)，快速切斷高壓氣源繼續(xù)流向試驗(yàn)件的同時(shí)，快速排氣，防止試驗(yàn)件意外破壞或二級(jí)破壞。

（4）多點(diǎn)控制及多點(diǎn)監(jiān)視。為了保證整個(gè)控制回路的安全，在試驗(yàn)件不同部位設(shè)計(jì)多個(gè)反饋點(diǎn)聯(lián)合控制充壓載荷，可采用多點(diǎn)均值或最大值控制兩種控制信號(hào)模式。結(jié)構(gòu)體積較大時(shí)，設(shè)置多個(gè)監(jiān)視點(diǎn)監(jiān)視結(jié)構(gòu)不同部位的氣壓。

（5）密封及二次密封。對(duì)于進(jìn)氣道等非密閉結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)并安裝專用密封擋板對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，再采用密封膠、氣球布等進(jìn)行二次密封。對(duì)于座艙、油箱等密閉結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行高載充壓試驗(yàn)時(shí)，容易出現(xiàn)嚴(yán)重漏氣導(dǎo)致試驗(yàn)載荷無法繼續(xù)施加的情況，因此也需要在原有結(jié)構(gòu)密封條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次密封。

（6）高頻動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。針對(duì)高載充壓試驗(yàn)，除采用常規(guī)低頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高清攝像設(shè)備外，引入高頻數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高速攝影技術(shù)對(duì)常規(guī)數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行補(bǔ)充，保證獲取試驗(yàn)件爆破瞬間的應(yīng)變數(shù)據(jù)及影像。

（7）現(xiàn)場保護(hù)措施。主要是針對(duì)人員、設(shè)備和試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行的安全防護(hù)，在試驗(yàn)件周圍采用網(wǎng)狀材料進(jìn)行圍堵，并在更大范圍內(nèi)采用帆布進(jìn)行現(xiàn)場封鎖，設(shè)置警戒線和有機(jī)玻璃保護(hù)屏障。

4??結(jié)論

本文總結(jié)以往的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，采用安全性設(shè)計(jì)方法，對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)、控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測等多個(gè)方面完善了試驗(yàn)各項(xiàng)安全保護(hù)措施，形成了一套全面完整的結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)方法。后續(xù)針對(duì)此類試驗(yàn)，采用本文方法可充分保證結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)的安全可靠。