多接頭大載荷機翼載荷處理方法

王鑫濤，夏龍，劉興科

(中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065)

0 引 言

飛機結(jié)構(gòu)強度試驗其目的是通過實驗室的方法來模擬飛機在使用過程中的真實受載情況，以獲取試驗件結(jié)構(gòu)受載后的真實狀態(tài)，為飛機設計改進提供依據(jù)。因此，試驗過程中的載荷必須能夠真實模擬飛機使用過程中的受載，以達到試驗件考核的目的。

全尺寸飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中，其試驗對象有時不一定是整個飛機，對于一些非主要考核部件，在試驗件生產(chǎn)過程中可不予生產(chǎn)，而是采用夾具進行替代。夾具既要盡可能模擬真實試驗件的傳載狀態(tài)，又要便于其對接部位的載荷施加，且安裝工藝、強度、剛度等均必須符合相關(guān)要求[1-2]。

本文所研究的試驗件缺少右外翼部分，該試驗件外翼與中央翼對接接頭共三組六個接頭，各接頭之間空間有限且載荷較大。在以往類似結(jié)構(gòu)的試驗中，由于接頭處載荷相對較小，一般噸位的作動筒即可滿足要求；且在單獨考核該試驗件接頭強度的部件靜力試驗中，由于加載空間充足，三組接頭同樣通過作動筒直接進行施加。薛彩軍等[3]在發(fā)動機吊掛靜力試驗的研究中，通過施加力矩的方法使得實際加載點遠離試驗件，且有利于加載假件的空間設計；戴訓洋等[4]在研究大噸位載荷施加時，設計并優(yōu)化了應用于大噸位加載的杠桿裝置，解決了大噸位載荷施加困難的問題。上述文獻均采用杠桿延長加載力臂的方式來解決載荷的施加問題，然而兩者均為單點拉向載荷，未考慮剛度匹配的問題。

本文研究對象接頭較多，且考核載荷大，因此需要考慮各個接頭之間的載荷分配，需分別針對不同區(qū)域的接頭進行單獨分析和處理。對三組接頭設計獨立的加載夾具，前中接頭、后接頭分別采用不同的處理方式，并進行現(xiàn)場試驗驗證。

1 問題介紹

試驗件外翼與中央翼對接區(qū)接頭示意圖如圖1所示。根據(jù)試驗要求，前上接頭側(cè)向載荷最大約為壓載70 t，前下接頭側(cè)向載荷最大約為拉載62 t，中上接頭側(cè)向載荷最大約為壓載186 t，中下接頭側(cè)向載荷最大約為拉載187 t。若采用加載作動筒直接施加，前接頭需要100 t級作動筒，中接頭需要200 t級作動筒，且作動筒尺寸均較大，但接頭之間的加載空間有限?；谝陨显?，在接頭上直接進行載荷施加基本無法實現(xiàn)。如果采用機翼盒段形式加載夾具，由于其接頭數(shù)量較多，且安裝配合工藝要求較高，加載夾具與試驗件對接相當困難，且無法按要求實現(xiàn)各接頭之間的剛度匹配。由于該試驗件對接接頭均為上下兩個，且試驗過程中應盡量真實模擬兩接頭之間的剛度匹配，相對于以往研究的簡單大噸位單接頭加載，不僅要考慮加載的問題，還要考慮安裝、剛度匹配等方面的問題。

圖1 試驗件對接區(qū)接頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of test piece docking area joint

右外翼與中央翼對接區(qū)需要承擔多項功能：

(1) 對接區(qū)連接接頭載荷的施加；

(2) 整個試驗全機載荷的平衡；

(3) 考核右起落架時的試驗支持。

因此，本文所研究的載荷處理方法主要需要實現(xiàn)連接區(qū)邊界條件的模擬，將原有的小空間區(qū)域大噸位載荷通過力轉(zhuǎn)移以及施加力矩的形式進行等效轉(zhuǎn)化。所設計的夾具必須能夠滿足上述試驗相關(guān)要求，且能夠在有限空間條件下方便載荷施加及現(xiàn)場實施[5-6]。

2 前中接頭處理

基于上述問題以及相關(guān)要求，考慮到各接頭之間剛度匹配等問題，對前中接頭分別設計獨立的加載夾具，在沿垂直機翼方向(即垂向)延伸加載間距，依據(jù)杠桿原理減小試驗加載載荷，同時避免接頭連接間剛度匹配的問題，方便對接安裝，確保加載夾具與中央翼的連接螺栓正確承載，使中央翼與加載夾具之間傳載盡可能合理。其載荷處理方式如圖2所示。

圖2 前中接頭載荷處理方式Fig.2 Front and middle joint load handing

圖2中F1和F2分別為上下接頭承受載荷，P1和P2分別為處理到加載點后實際施加載荷。結(jié)合設計后夾具相關(guān)尺寸，可計算出加載點作動筒實際施加載荷(均以圖示向右為正)：

(1)

(2)

考慮到接頭處載荷較大，且與機翼對接接頭裝配精度較高，故將前中加載夾具均設計為兩部分，即杠桿和加載接頭。杠桿設計為梭型結(jié)構(gòu)，采用普通碳鋼焊接而成；加載接頭采用合金結(jié)構(gòu)鋼，通過機加以及熱處理等工藝，使之滿足強度要求。同時由于上下接頭不僅存在側(cè)向載荷，還存在垂向載荷，加載過程中上下接頭會在垂向發(fā)生相對變形。為使夾具不限制其變形，且考慮到側(cè)向加載點載荷方向(上接頭為壓載，下接頭為拉載)，上加載接頭與杠桿采用群孔螺栓連接，下加載接頭采用單孔螺栓連接?？紤]到螺栓的承載形式，設計螺栓均為雙剪承載，夾具與對接接頭連接形式如圖3所示[7-8]。

圖3 夾具與對接接頭連接形式Fig.3 Fixture and butt joint connection form

3 后接頭處理

試驗任務書給出的后接頭載荷為此接頭局部直角坐標系下的載荷，以連接螺栓為軸，載荷主要分為軸向載荷和徑向載荷(先將兩個徑向載荷進行合成)，考慮到加載的可實施性，以及機翼發(fā)生變形對加載的影響，將原始載荷通過坐標轉(zhuǎn)換(如圖4所示)向新坐標系進行處理：軸向載荷直接施加(即沿Oz′方向)，徑向載荷向Ox′(位于全局坐標系xOz平面內(nèi))和Oy′(位于全局坐標系yOz平面內(nèi))坐標下分解，將載荷分解為偏航向載荷和偏側(cè)向載荷[9]。

圖4 坐標轉(zhuǎn)換原理圖Fig.4 Schematic diagram of coordinate conversion

依據(jù)處理后載荷和加載方向設計專用夾具，如圖5所示。該分解方法能夠使加載作動筒分別位于全局坐標系xOz和yOz平面內(nèi)，方便加載設備的安裝，且極大地節(jié)省了加載框架內(nèi)部空間。

圖5 后接頭夾具結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Rear joint fixture structure

4 局部約束

根據(jù)試驗要求，前中接頭不應存在航向載荷，而在試驗加載過程中，由于機翼發(fā)生航向變形，而加載作動筒底部安裝位置不動，加載力線與夾具加載點在航向上存在一定夾角，其側(cè)向載荷和垂向載荷均會通過夾具在前中接頭上產(chǎn)生航向載荷分量，其變形示意圖如圖6所示[10-11]。

圖6 機翼變形前后加載點變化示意圖Fig.6 Schematic diagram of loading point change before and after wing deformation

由于前中接頭本身載荷較大，其產(chǎn)生的分量極有可能對自身造成不可預估的損傷，考慮采用一種局部約束裝置，將加載夾具在接頭上產(chǎn)生的航向載荷分量通過約束裝置傳至中央翼，以保證接頭的安全。約束裝置原理圖如圖7所示。

圖7 局部約束裝置原理圖Fig.7 Schematic diagram of local constrained device

約束裝置的設置應只限制航向載荷，而不應影響其他兩個方向的載荷。整個約束裝置通過卡板安裝于中央翼上，利用卡板上安裝的限制桿對夾具航向變形進行限制，使其與接頭之間不發(fā)生相對位移，繼而將接頭上的航向載荷通過約束裝置轉(zhuǎn)移至中央翼。限制桿端采用調(diào)節(jié)螺桿加牛眼輪，通過螺桿調(diào)節(jié)牛眼輪與夾具之間的間隙。牛眼輪與夾具之間為滾動摩擦，可忽略限制面內(nèi)產(chǎn)生的摩擦力，達到僅對航向相對變形限制的目的。約束裝置結(jié)構(gòu)以及安裝簡圖如圖8所示。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖圖8 約束裝置結(jié)構(gòu)圖以及安裝簡圖Fig.8 Structure drawing and installation diagram of restraint device

5 試驗應用

將上述加載方法應用于飛機結(jié)構(gòu)強度試驗，試驗現(xiàn)場如圖9所示，試驗效果良好。對稱工況中試驗件左右機翼某對稱考核點應變曲線如圖10所示，位移曲線如圖11所示。

圖9 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.9 Test site photo

圖10 應變曲線對比Fig.10 Strain curve comparison

圖11 位移曲線對比Fig.11 Displacement curve comparison

從圖10～圖11可以看出：對稱工況左右機翼應變和位移變化趨勢相同，最大應變誤差不超過3%，最大變形誤差不超過5%，均在誤差允許范圍內(nèi)，右側(cè)夾具與左側(cè)真件傳載效果基本相同，表明該方法完全能夠滿足試驗要求。

6 結(jié) 論

(1) 試驗中采用杠桿原理對實際加載載荷進行等效轉(zhuǎn)換，有效降低了前中接頭實際加載點加載載荷，通過設置不同的鉸接形式，避免了由于夾具限制而造成的加載誤差，且接頭載荷施加較為準確。依靠坐標轉(zhuǎn)換將后接頭載荷進行調(diào)整，使其力線均處于飛機直角坐標系所形成的平面內(nèi)，便于現(xiàn)場實施。

(2) 通過采用局部約束裝置，對接頭進行了有效保護，避免了由于試驗件變形而造成的試驗件損傷，且對試驗結(jié)果不造成影響，實際試驗過程中接頭均未出現(xiàn)有害損傷。

(3) 整個夾具安裝方便，對現(xiàn)場施工要求較低，降低了安裝難度，也對保證試驗進度起到了一定積極效果。