民用飛機(jī)全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究

于國慶

摘 ? 要：民用飛機(jī)是一種用于運(yùn)載貨物或載人的交通工具，因服務(wù)于民用不用于軍事用途，故稱為民用飛機(jī)。但民用飛機(jī)在特殊時期可以隨時作為軍用飛機(jī)使用。本文通過科學(xué)的分析、有限的元計算以及幾種測量技術(shù)對民用飛機(jī)全機(jī)靜力實驗機(jī)身加載方案進(jìn)行了科學(xué)的研究。本研究通過對機(jī)身單元的內(nèi)力進(jìn)行統(tǒng)一考察，以分析機(jī)身內(nèi)力分布的角度為側(cè)重點為實驗方案提供數(shù)據(jù)支持。為了得到更真實、科學(xué)的模擬機(jī)身載荷的傳力路徑，特意采用貨艙地板與客艙地板雙層加載相結(jié)合的方案。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) ?靜力試驗 ?機(jī)身加載方案 ?研究

中圖分類號：V228.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0013-02

1 ?民用飛機(jī)相關(guān)概念以及全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案

軍用和民用飛機(jī)都有自己的使用范圍和飛行功能，在戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)上也不盡相同。但是它們也有很多的共性，如結(jié)構(gòu)、有效載重、機(jī)動性、敏感性、續(xù)航能力等。現(xiàn)如今飛機(jī)大部分是采用新材料和新工藝，如此可以有效降低結(jié)構(gòu)的重量。在進(jìn)行飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計時，依托高速計算機(jī)和有限元分析軟件使飛機(jī)設(shè)計的靜強(qiáng)度的準(zhǔn)確度越來越高。除此之外，飛機(jī)全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究是驗證新研制飛機(jī)強(qiáng)度的主要試驗方案之一[1]。

飛機(jī)研制是一個復(fù)雜的過程，在飛機(jī)研制中，要充分考慮如何科學(xué)地驗證飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度。在運(yùn)輸類民用飛機(jī)中有很多類型，也有很多適航標(biāo)準(zhǔn)。不同的適航標(biāo)準(zhǔn)對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有不同的要求，其中CCAR-25部對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計以及驗證就有很高的要求。但分析驗證僅僅處于驗證階段，驗證的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性遠(yuǎn)低于實驗驗證。所以在飛機(jī)特別是全機(jī)級別的驗證上，必須采取科學(xué)的靜強(qiáng)度試驗措施。只有完成靜強(qiáng)度試驗才能進(jìn)行飛行試驗。

不管是民用飛機(jī)還是軍用飛機(jī)，大多數(shù)的組成部分都有起落裝置，機(jī)身，機(jī)翼，尾翼以及動力裝置。在眾多組成部分中最關(guān)鍵的部分是機(jī)身。機(jī)身起到重要的作用，比如可以將飛機(jī)的其他部位連接成一個完整的整體，保留寬闊的空間用于承載裝備和武器或者是人員，使飛機(jī)起到飛機(jī)專有的作用。所以，在民用飛機(jī)的研究中研究機(jī)身的載荷是非常關(guān)鍵的舉措。要模擬出機(jī)身結(jié)構(gòu)真實的受載情況就要采取多種科學(xué)的措施并進(jìn)行比較，從而提高實驗的有效性。

新型的加載方式與傳統(tǒng)的加載方式是不同的，新型的加載方式在傳統(tǒng)的方式之上有所創(chuàng)新。如：傳統(tǒng)的研究方式是在民用飛機(jī)機(jī)身之外粘貼一定量的膠帶，從而將載荷施加到機(jī)身上。而新的加載實驗方式與之不同的是：利用機(jī)身特殊的結(jié)構(gòu)搭建杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載實驗——貨艙和客艙的地板橫梁滑軌。新型的機(jī)身加載方案具有很多優(yōu)點。在機(jī)身的載荷分配上說，該方案能更真實、有效地模擬機(jī)身各個部位的受載情況，并且分配更均勻。數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確實驗的結(jié)果越真實。除此之外，運(yùn)用機(jī)身杠桿原理能夠盡量減少機(jī)身外表面的占用面積，在試驗全過程中更干凈。在機(jī)身外部檢測應(yīng)變片能更好地控制蒙皮進(jìn)入的張力場。因此，實驗研究杠桿系統(tǒng)類型的加載方案具有高的科學(xué)性和有效性并且被廣泛地應(yīng)用于各種同類實驗中。而杠桿系統(tǒng)的原理也被更多科學(xué)家進(jìn)行研究。

本文通過對民用飛機(jī)的全機(jī)靜力的幾種試驗進(jìn)行對比、計算，全面考察機(jī)身單元的內(nèi)力等，望能對機(jī)身靜力試驗加載方案設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)和方案支持。

2 ?民用飛機(jī)機(jī)身荷載的相關(guān)分析

從其他國家先進(jìn)民用和軍用飛機(jī)的研制上來看，提高機(jī)身荷載水平設(shè)計及富裕度強(qiáng)度剩余系數(shù)是降低機(jī)體結(jié)構(gòu)重量和荷載的主要方式之一。而機(jī)體結(jié)構(gòu)必須能夠承受規(guī)定載荷在一定時間內(nèi)不破壞。如果結(jié)構(gòu)能夠承受要求的荷載程度，則在使用荷載和設(shè)計載荷之間產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是可以接受的[2]。

舉例說明：西方某一先進(jìn)國家生產(chǎn)民用飛機(jī)，為了提高飛機(jī)的綜合性能，減少飛機(jī)事故概率、減少飛機(jī)整體重量，召集諸多高科技人才并投入大量資金進(jìn)行全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究。該公司的試驗飛機(jī)在試飛過程中多次出現(xiàn)機(jī)體解體的情況。試驗后期通過制定合適的載荷目標(biāo)來合理設(shè)計機(jī)身結(jié)構(gòu)，滿足飛機(jī)在飛行中能承載的最大限度。通過幾次全機(jī)靜力試驗的檢驗，對機(jī)身薄弱處進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)增強(qiáng)。最后該機(jī)型成為世界上最先進(jìn)最經(jīng)典的飛機(jī)，也成為其他國家飛機(jī)研制的優(yōu)秀典范，由此可見全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究的重要性。

據(jù)研究，民用飛機(jī)的機(jī)身荷載分為兩種，即慣性荷載和氣動荷載。在眾多慣性和在中，主要的荷載是客載和貨載?？洼d和貨載主要是在地板上，通過地板再傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上。

3 ?方案簡介與有限元內(nèi)力對比

民用飛機(jī)的受載情況計算通常利用有限元計算將其施加到模型的節(jié)點上，利用模型反映飛機(jī)的真實受載情況。對民用飛機(jī)的全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案有以下幾種[3-4]：

3.1 膠布帶加載方案簡介

膠布帶加載的具體方案是利用膠布帶通過粘貼的方式承載飛機(jī)機(jī)身的載荷。但在具體的操作中，為了實驗中機(jī)身的整潔與實驗的易操作性，往往只選擇在飛機(jī)的機(jī)身兩側(cè)的位置粘貼膠布帶，均勻劃分膠布帶的分配位置。

3.2 客艙地板單層加載方案簡介

通過客艙地板單層加載方案是利用機(jī)身的杠桿系統(tǒng)將機(jī)身各站位的受力施加在客艙地板上，該方案的工作原理如下。在每個飛機(jī)機(jī)身上設(shè)置相同距離的站位，共同設(shè)置一組杠桿系統(tǒng)。在機(jī)身的加載點位置開一個小孔，然后機(jī)身頂部也開一個孔，同樣，機(jī)身底部位置的框站位也開一個孔。

3.3 客艙以及貨艙地板雙層加載方案簡介

在客艙地板單層加載方案的基礎(chǔ)上增添一組位于貨艙地板上的杠桿系統(tǒng)，加載方法與上一個方案的加載方法相似。在實驗方案操作過程中需要注意以下問題：

要以事實為原則，參照機(jī)身數(shù)據(jù)，按照真實的機(jī)身站位的具體載荷制作全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案的模型。另外，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要對機(jī)身機(jī)構(gòu)慣性載荷進(jìn)行平均分配，使每個加載點承受的載荷數(shù)量相同。

3.4 蒙皮內(nèi)力對比與框內(nèi)力對比

在三種加載方案對比下得出蒙皮內(nèi)力與全機(jī)解的偏差在3%以內(nèi)。膠布帶加載方案與客艙地板單層加載方案下的蒙皮剪流之間的偏差在10%左右，客艙和貨艙地板上雙層加載方案的偏差在5%左右。另外，分析機(jī)身22長桁以下框內(nèi)力有較大的偏差，主要原因是31長桁位置是地板支柱和框的連接處，客載是通過地板結(jié)構(gòu)傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上的，使其附近產(chǎn)生較大彎矩。

4 ?結(jié)語

本文著重分析了民用飛機(jī)全機(jī)靜力實驗的幾種機(jī)身加載方案。分析對比實驗結(jié)果得出：在眾多方案中貨艙與客艙地板雙層加載的實驗方案更真實有效，更有利于模擬出真實的機(jī)身載荷情況。將其運(yùn)用到民用飛機(jī)全機(jī)靜力試驗中效果更真實。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛彩軍，譚偉，聶宏.民用飛機(jī)全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究[J].實驗力學(xué)，2011（6）：735-742.

[2] 王正平，韓鴻源.飛機(jī)全機(jī)靜力試驗機(jī)身加載方案研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999（4）：649-652.

[3] 劉金玉，李軍，戴舜.飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗中杠桿系統(tǒng)的載荷配重[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2012（4）：30-32.

[4] 劉權(quán)良，尹偉，夏峰.飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗支持方案的確定[J].航空科技技術(shù)，2012（5）：32-35.