飛機(jī)油箱下壁板負(fù)壓加載技術(shù)研究與應(yīng)用

楊鵬飛，付夢(mèng)思，夏 峰

（1.中國(guó)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)試驗(yàn)室，?陜西?西安?710065；2.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京?100076）

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)中，包括GJB 67.9A—2008《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范 第9部分：地面試驗(yàn)》以及CCAR-23-R3《正常類(lèi)、實(shí)用類(lèi)、特技類(lèi)和通勤類(lèi)飛機(jī)適航規(guī)定》，都要求飛機(jī)油箱必須能夠承受運(yùn)行中可能遇到的慣性、油液及結(jié)構(gòu)的載荷而不損壞，并對(duì)每個(gè)油箱必須能夠承受的壓力做出具體規(guī)定。由于高空中大氣壓低于地面，通常情況下飛機(jī)油箱內(nèi)部壓力大于外部，在充壓試驗(yàn)中，油箱下壁板主要承受正的氣密載荷。通常的試驗(yàn)方法為：在油箱中注入一定水量，然后通過(guò)氣泵對(duì)油箱充壓，對(duì)油箱壁板的靜強(qiáng)度進(jìn)行考核[1]。

某型飛機(jī)由于其自身氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的原因，其機(jī)身油箱充壓試驗(yàn)工況3中油箱下壁板載荷為-120kPa。現(xiàn)有的試驗(yàn)方法以及設(shè)備不具備這樣的加載能力。由于油箱內(nèi)部無(wú)法進(jìn)行負(fù)壓力加載，試驗(yàn)時(shí)只能將油箱下壁板的內(nèi)部負(fù)壓轉(zhuǎn)化成外部施加的均布載荷。

1??總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)于試驗(yàn)件表面的均布載荷，通常采用等效處理的方法，對(duì)表面拉向載荷利用膠布帶杠桿系統(tǒng)施加集中載荷，對(duì)于壓載采用木塊進(jìn)行施加。均布載荷等效成集中載荷施加必然偏離試驗(yàn)件的實(shí)際受載情況，而木塊加載則由于木塊修形后不能保證與試驗(yàn)件表面完全貼合，從而導(dǎo)致試驗(yàn)件表面受力不均，影響試驗(yàn)加載結(jié)果的真實(shí)性。

傳統(tǒng)的加載方法均需要液壓作動(dòng)筒來(lái)施加載荷，由于考核部位油箱下壁板為進(jìn)氣道上表面，而本次試驗(yàn)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)氣道前端還有“喉結(jié)”結(jié)構(gòu)，受進(jìn)氣道的空間限制，無(wú)法安裝作動(dòng)筒、杠桿等加載設(shè)備。為解決試驗(yàn)中加載難題，需要進(jìn)行氣囊加載技術(shù)的研究。

總體思路是：采用邵氏硬度為70的橡膠為原材料，結(jié)合考核部件的外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體外形的氣囊，并根據(jù)考核部件所在的位置、空間的局限性，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的氣囊支托結(jié)構(gòu)，作為氣囊的外部約束及承載平臺(tái)。在進(jìn)氣道內(nèi)將整個(gè)外部約束組裝后與氣囊成為一個(gè)整體來(lái)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加載，進(jìn)氣道地板作為承載基礎(chǔ)。

2??氣囊設(shè)計(jì)

通常氣囊按試驗(yàn)件表面形狀設(shè)計(jì)，試驗(yàn)時(shí)用氣囊?jiàn)A具進(jìn)行固定，依靠充氣膨脹，與試驗(yàn)件表面貼合。

本次試驗(yàn)載荷大，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果按常規(guī)方法依據(jù)進(jìn)氣道形狀設(shè)計(jì)氣囊，會(huì)給氣囊設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難，同時(shí)在使用時(shí)會(huì)有一些缺陷。如氣囊體積大，試驗(yàn)時(shí)充氣量大，有安全隱患；氣囊固定、保形困難，試驗(yàn)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)與考核部位表面完全貼合，影響加載精度[2-5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本次試驗(yàn)的氣囊設(shè)計(jì)采取了新的思路。

（1）依照考核部位表面形狀和面積，將氣囊設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，設(shè)計(jì)、加工簡(jiǎn)便。

（2）氣囊周邊用布包邊，氣囊高度為50mm，以減少氣囊體積、保證試驗(yàn)安全。

（3）設(shè)計(jì)專(zhuān)用的氣囊支托結(jié)構(gòu)，約束氣囊的形狀，在試驗(yàn)時(shí)保證氣囊與考核部位表面完全貼合，并作為氣囊加載的承載平臺(tái)。

根據(jù)考核部件試驗(yàn)的具體要求，提出了氣囊的技術(shù)指標(biāo)。

（1）規(guī)格尺寸：1515mm×600mm×50mm。

（2）橡膠材料厚度：2.5～4mm。

（3）橡膠材料硬度：70（邵氏硬度）。

（4）承載能力：1個(gè)壓力（無(wú)約束），1.5個(gè)壓力（有外部約束）。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)出氣囊示意圖并投產(chǎn)，如圖1、圖2所示。

圖1 氣囊設(shè)計(jì)圖

圖2 氣囊實(shí)物圖

3??氣囊?jiàn)A具設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的氣囊?jiàn)A具有2個(gè)作用，一方面要約束和保持氣囊外形，另一方面為氣囊加載平臺(tái)，而本次試驗(yàn)機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)氣道前端還有“喉結(jié)”結(jié)構(gòu)，這給夾具設(shè)計(jì)安裝帶來(lái)很大困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，本次試驗(yàn)的氣囊?jiàn)A具設(shè)計(jì)采取了新的思路：依據(jù)進(jìn)氣道三維數(shù)模，考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝難度，采用搭積木的方式，利用木塊分段、分層做成盒式結(jié)構(gòu)。

盒式結(jié)構(gòu)分為5段3層：第1層放置氣囊，約束氣囊外形，保證與進(jìn)氣道上表面貼合；第3層放在進(jìn)氣道下表面，與表面貼合，作為承載基礎(chǔ)；中間層由楔形木塊組成，用于調(diào)節(jié)夾具高度，傳遞載荷。

整個(gè)夾具放置于進(jìn)氣道內(nèi)，由70余塊木塊組裝而成。安裝時(shí)，從里到外、分段分層，依次安裝木塊，外部由拉桿、杠桿、螺栓等固定成一個(gè)整體。具體情況見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 氣囊?jiàn)A具設(shè)計(jì)圖

圖4 夾具安裝示意

圖5 夾具安裝示意

圖6 夾具安裝實(shí)物圖

4??氣囊傳載標(biāo)定

在試驗(yàn)前，對(duì)氣囊傳載進(jìn)行了標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程：設(shè)計(jì)專(zhuān)用盒段將氣囊放入其內(nèi)，將盒段與地面進(jìn)行固定，并安裝傳感器測(cè)量載荷，對(duì)氣囊進(jìn)行充氣。以氣囊充壓點(diǎn)為主動(dòng)加載點(diǎn)，載荷約束點(diǎn)為監(jiān)視點(diǎn)。根據(jù)使用載荷，設(shè)定以20kPa為一級(jí)進(jìn)行加載，并對(duì)載荷反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行回收分析。

由于氣囊四周有一圈加布區(qū)，變形量很小，在對(duì)其進(jìn)行充氣時(shí)，這個(gè)區(qū)域會(huì)吸收一部分能量，導(dǎo)致在高載時(shí)傳遞出來(lái)的載荷小于理論計(jì)算的載荷值，對(duì)氣囊的傳載性能分析時(shí)應(yīng)予以考慮，圖7為氣囊標(biāo)定示意圖。

通過(guò)對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)加載荷與理論載荷誤差為1.2%，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

圖7 氣囊標(biāo)定示意圖

5??結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的氣囊結(jié)構(gòu)加載方法成功應(yīng)用于某型飛機(jī)油箱下壁板負(fù)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。