大變形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)滑輪組加載系統(tǒng)扣重技術(shù)研究

張柁，宋鵬飛，賀謙，任鵬

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

0 前言

新機(jī)研制要經(jīng)歷4個(gè)重要階段，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和試飛。飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是驗(yàn)證新機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與制造工藝較為有效的方法[1-3]。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是根據(jù)不同工況施加載荷，以檢驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求的一種試驗(yàn)方法，是飛機(jī)研制過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)[4-6]。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)、材料以及加工工藝等越來越復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)也提出了更高的要求。為保證載荷的準(zhǔn)確施加，試驗(yàn)中的協(xié)調(diào)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，加載系統(tǒng)越來越龐大[7-11]，這就必然涉及試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)加載系統(tǒng)的扣重確定。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)扣重是指進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)時(shí)扣除飛機(jī)結(jié)構(gòu)重力和試驗(yàn)設(shè)備重力，使得試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)處于零重狀態(tài)，此時(shí)試驗(yàn)載荷才能更加真實(shí)地模擬飛行載荷。對于載荷大、變形大的機(jī)翼、尾翼等部件，隨著試驗(yàn)件變形，扣重加載力線出現(xiàn)偏移，造成施加到試驗(yàn)件上的扣重載荷不準(zhǔn)確，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，開展大變形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)扣重研究具有重要意義。

針對大變形下結(jié)構(gòu)扣重問題，國外研究主要集中在試驗(yàn)加載方案及試驗(yàn)機(jī)的強(qiáng)度分析上，對試驗(yàn)扣重的重力計(jì)算及扣重方案研究較少。國內(nèi)試驗(yàn)中常用的方法是力控加載點(diǎn)主動(dòng)扣重和撬杠杠桿配重扣重。力控加載點(diǎn)主動(dòng)扣重方法將結(jié)構(gòu)重力在相應(yīng)力控加載點(diǎn)上扣除，首先計(jì)算得出各結(jié)構(gòu)件的重力和重心，保證重力和重心的前提下，按合理的結(jié)構(gòu)重力理論分布，將結(jié)構(gòu)重力分到相應(yīng)加載點(diǎn)上，該方法可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)重力的精準(zhǔn)扣除，但當(dāng)試驗(yàn)加載點(diǎn)無法包住結(jié)構(gòu)重心時(shí)，會(huì)出現(xiàn)加載點(diǎn)載荷反向，且存在非試驗(yàn)期間重力無法扣除問題。撬杠杠桿配重扣重方法采用懸掛的反配重，通過撬杠、鋼索、手動(dòng)葫蘆及配重托盤等組成的扣重裝置將試驗(yàn)機(jī)的指定部位拉起，達(dá)到扣除其重力的目的。該方法設(shè)計(jì)簡單，適用于試驗(yàn)中變形較小部位，當(dāng)試驗(yàn)變形較大時(shí)，撬杠發(fā)生傾斜，引起扣重力線出現(xiàn)偏移，影響扣重的精度和穩(wěn)定性。

鑒于此，本文作者研究大變形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)扣重方法，并設(shè)計(jì)一種基于滑輪組-力控作動(dòng)筒-扣重撬杠組合系統(tǒng)的扣重裝置，保證結(jié)構(gòu)扣重的準(zhǔn)確性和可靠性，并將該技術(shù)應(yīng)用到某型飛機(jī)擾流板靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，驗(yàn)證該技術(shù)的有效性和合理性。

1 問題描述

傳統(tǒng)撬杠杠桿配重扣重方法如圖1所示，采用該方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，理論上杠桿處于水平狀態(tài)，有：

P=G·A/B

(1)

式中：G為試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)重力；P為所需配重塊重力；A、B為杠桿力臂。

圖1 傳統(tǒng)扣重裝置示意

由式(1)可知，試驗(yàn)時(shí)，只需要安裝配重塊即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)扣重。

然而，實(shí)際加載過程中，隨著試驗(yàn)件變形，杠桿不斷發(fā)生傾斜，導(dǎo)致扣重力線發(fā)生偏移，如圖2所示。

此時(shí)，施加到試驗(yàn)件的扣重載荷P′為

P′=G·A′/B′·cosθ=G·A/B·cosθ

(2)

式中：P′為施加到試驗(yàn)件扣重載荷；θ為變形前、后扣重力線夾角；A′、B′為變形后杠桿力臂。

由式(2)可知，施加到試驗(yàn)件的扣重載荷小于實(shí)際扣重重力，從而影響施加到結(jié)構(gòu)上的扣重載荷精度。

圖2 試驗(yàn)件變形后扣重裝置示意

由于結(jié)構(gòu)變形大，即變形前、后扣重力線夾角θ較大，導(dǎo)致杠桿大幅傾斜，應(yīng)急卸載時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的振幅，使得滑輪組鋼絲繩產(chǎn)生振動(dòng)跳躍現(xiàn)象，存在鋼絲繩脫槽、卡滯等方面的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，從而影響到扣重系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 扣重裝置設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)扣重主要通過傳力機(jī)構(gòu)將試驗(yàn)機(jī)的指定部位拉起，達(dá)到扣除其重力的目的?？壑刂亓χ饕ńY(jié)構(gòu)重力、假件重力、加載設(shè)備及測量設(shè)備重力等，扣重載荷的施加采用膠布帶-杠桿系統(tǒng)，在扣重結(jié)構(gòu)重心附近粘貼膠布帶，依據(jù)力的等效原則，保證結(jié)構(gòu)重心位置不變，將結(jié)構(gòu)重力分布到相應(yīng)的膠布帶上，采用連接件(一般用鋼絲繩)連接鋁棒和杠桿，組成膠布帶-杠桿系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)承載能力強(qiáng)、連接簡單、使用方便、易于拆卸換裝、成本低[12-13]。

圖3 膠布帶-杠桿系統(tǒng)示意

為保證大變形下結(jié)構(gòu)扣重的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用滑輪組-力控作動(dòng)筒-扣重撬杠的扣重方法，即設(shè)計(jì)一種傳力機(jī)構(gòu)，主要由可調(diào)節(jié)連接件、扣重撬杠、定滑輪(單滑輪、雙滑輪)、動(dòng)滑輪、反配重、測力傳感器、液壓作動(dòng)筒及鋼索組成。通過一組通用可調(diào)長短的連接件，將扣重撬杠水平懸掛，扣重撬杠兩端分別固定1個(gè)定滑輪，用于鋼索纏繞導(dǎo)向。撬杠一端通過動(dòng)滑輪組及測力傳感器將結(jié)構(gòu)扣重部位與鋼索連接，另一端通過反配重和力控作動(dòng)筒組合與鋼索連接，實(shí)現(xiàn)扣重載荷的傳遞?？壑匮b置如圖4所示。

圖 4 扣重裝置示意(載荷比例1∶2)

采用該扣重方法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，反配重和力控作動(dòng)筒端跟隨結(jié)構(gòu)的上下變形亦上下移動(dòng)，在滑輪組作用下扣重撬杠始終保持水平狀態(tài)，保證了扣重載荷的力線方向。測力傳感器直接與結(jié)構(gòu)連接，實(shí)時(shí)主動(dòng)控制作動(dòng)筒施加到結(jié)構(gòu)上的扣重載荷大小。將反配重和液壓作動(dòng)筒串聯(lián)，克服了鋼索間存在的摩擦力，解決了單純采用配重施加到試驗(yàn)件上的載荷小于結(jié)構(gòu)重力、存在欠扣重的問題，確保結(jié)構(gòu)扣重的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)狀態(tài)扣重裝置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)狀態(tài)扣重裝置示意

試驗(yàn)中力控原理圖如圖6所示，PCMD為試驗(yàn)件施加扣重載荷，并作為液壓作動(dòng)筒的力控命令值，PFB,傳感器為傳感器的當(dāng)前讀數(shù)，作為液壓作動(dòng)筒的力控反饋值。

圖6 力控原理

由圖5可知，變形前后扣重力線方向不變，即θ= 0，此時(shí)，施加到試驗(yàn)件的扣重載荷P″為

P″=PFB,傳感器=G

(3)

式中：PFB,傳感器為傳感器反饋值；P″為施加到試驗(yàn)件扣重載荷。

由式(3)可知，施加到試驗(yàn)件的扣重載荷等于試驗(yàn)件實(shí)際重力，保證了施加到結(jié)構(gòu)上的扣重載荷精度。

同時(shí)，在非試驗(yàn)期間及應(yīng)急卸載時(shí)作動(dòng)筒卸壓，液壓作動(dòng)筒和懸掛的配重同時(shí)能夠確保結(jié)構(gòu)大變形后應(yīng)急卸載時(shí)結(jié)構(gòu)緩慢回至初始位置，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的振幅，如圖7所示。

圖7 非試驗(yàn)期間及應(yīng)急卸載扣重裝置示意

為保證液壓作動(dòng)筒受外載后能跟隨試驗(yàn)件緩慢運(yùn)動(dòng)，通過流量閥調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓作動(dòng)筒的流量大小來控制其運(yùn)動(dòng)速度，有：

活塞受力平衡方程：

p1A1=p2A2+F

(4)

式中：p1為工作缸進(jìn)油腔的壓力；p2為工作缸回油腔的壓力，由于回油通油箱，因此p2≈0；A1為工作缸進(jìn)油腔活塞有效面積；A2為工作缸回油腔活塞有效面積；F為負(fù)載。

通過節(jié)流閥的流量q1：

q1=KAT(pP-p1)m

(5)

式中：K為節(jié)流系數(shù)；AT為節(jié)流閥開口面積；pp為泵的出口壓力；m為節(jié)流閥指數(shù)，由節(jié)流口形狀決定，一般取值0.5～1。

由式(4)和式(5)可知，液壓缸帶動(dòng)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v為

(6)

結(jié)合式(6)，通過對節(jié)流閥調(diào)速回路進(jìn)行速度-負(fù)載特性模擬分析，分別調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度為40%、70%、100%，同時(shí)液壓缸輸出力即負(fù)載為0、200、400、600、800 N，然后記錄各種情況下活塞的運(yùn)動(dòng)速度，如表1所示。

表1 節(jié)流閥調(diào)速回路速度-負(fù)載特性

該扣重方法可通過鋼索纏繞方式實(shí)現(xiàn)扣重點(diǎn)和反配重點(diǎn)的載荷比例縮放(可實(shí)現(xiàn)1∶1,1∶2,1∶3,1∶4等)，達(dá)到反配重點(diǎn)僅需懸掛結(jié)構(gòu)重力的1/2、1/3或1/4等即可扣除結(jié)構(gòu)重力，有效減小了試驗(yàn)反配重點(diǎn)處懸掛的配重重力。鋼索纏繞方式如圖8所示。

圖8 鋼索纏繞示意

考慮到結(jié)構(gòu)變形大，應(yīng)急卸載時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的振幅，使得滑輪組鋼絲繩產(chǎn)生振動(dòng)跳躍現(xiàn)象，存在鋼絲繩脫槽、卡滯等方面的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，采用封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定滑輪與動(dòng)滑輪，始終使鋼絲繩處于封閉的空間內(nèi)，配合間隙小，保證鋼絲繩不會(huì)發(fā)生脫槽、卡滯現(xiàn)象，如圖9所示。該滑輪組具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)定滑輪、動(dòng)滑輪采用封閉式結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩脫槽、卡滯現(xiàn)象；

(2)定滑輪的槽寬保持一定的寬度，允許鋼絲繩槽寬范圍內(nèi)有一定的變形；

(3)定滑輪底座設(shè)計(jì)長條安裝孔，保證定滑輪可以旋轉(zhuǎn)一定角度安裝，使得滑輪組具有靈活的安裝角度，避免滑輪組相互干涉。

圖9 滑輪組示意

3 工程應(yīng)用

按照上述扣重裝置設(shè)計(jì)，對某型飛機(jī)擾流板靜強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行擾流板結(jié)構(gòu)扣重，試驗(yàn)過程平穩(wěn)、載荷協(xié)調(diào)，在作動(dòng)筒卸壓情況下試驗(yàn)件未出現(xiàn)較大的振幅，試驗(yàn)順利完成，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，表明所采用的大變形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)扣重計(jì)算方法科學(xué)合理，扣重方案可行。

試驗(yàn)前首先根據(jù)擾流板結(jié)構(gòu)重力，確定擾流板靜力試驗(yàn)中扣重點(diǎn)與反配重點(diǎn)的載荷縮放比例為1∶2，配重重力為1/2結(jié)構(gòu)重力，扣重撬杠力臂分別為300、600 mm，鋼索直徑為9 mm，測力傳感器量程為30 kN，液壓作動(dòng)筒量程為30 kN/m，扣重撬杠固定在5 m加載橫梁上;然后將鋼索按圖8中的1∶2載荷比例在滑輪組系統(tǒng)上纏繞；其次,根據(jù)1∶2載荷比例調(diào)節(jié)可調(diào)連接件，兩側(cè)連接件長度分別為469、700 mm，可將扣重撬杠水平懸掛；最后，將滑輪組系統(tǒng)中動(dòng)滑輪一端連接到結(jié)構(gòu)扣重點(diǎn)處，通過鋼索將它與反配重點(diǎn)連接，反配重點(diǎn)懸掛配重及安裝液壓作動(dòng)筒。至此該滑輪組組裝完畢，如圖10所示。試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖11所示。

圖10 擾流板靜強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場安裝示意

圖11 擾流板靜強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場照片

試驗(yàn)采用前起-主起約束方式，在前起、左主起和右主起上分別安裝有測力傳感器，對約束點(diǎn)的載荷進(jìn)行監(jiān)視。同時(shí)在考核區(qū)域布置若干測試應(yīng)變片，試驗(yàn)過程中載荷以10%為一級逐級加載到100%限制載荷，并逐級記錄支持約束反饋及測試點(diǎn)應(yīng)變。

40%限制載荷及100%限制載荷時(shí)支持約束反饋及理論值如表2所示，可見約束反饋與理論計(jì)算誤差很小，表明結(jié)構(gòu)扣重準(zhǔn)確。

圖12所示為考核部件擾流板加載到100%限制載荷時(shí)，考核部位壁板應(yīng)變-載荷曲線，取其中4個(gè)觀測點(diǎn)在各級載荷作用下的測試值與目標(biāo)應(yīng)變值進(jìn)行對比，可看出應(yīng)變與載荷具有很好的線性關(guān)系，試驗(yàn)過程平穩(wěn)，試驗(yàn)扣重裝置穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

表2 某型飛機(jī)擾流板靜強(qiáng)度試驗(yàn)約束點(diǎn)支反力

圖12 擾流板靜力試驗(yàn)考核部位試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的滑輪組與力控作動(dòng)筒組合扣重裝置，能通過鋼索纏繞方式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)扣重點(diǎn)與反配重點(diǎn)的載荷比例(1∶1、1∶2、1∶3及1∶4等)，在試驗(yàn)中狀態(tài)穩(wěn)定，鋼索未出現(xiàn)脫槽、卡滯等現(xiàn)象，有效解決了大變形試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)扣重問題，同時(shí)能滿足非試驗(yàn)期間及應(yīng)急卸載時(shí)結(jié)構(gòu)扣重要求。

(2)試驗(yàn)過程中約束點(diǎn)反力、應(yīng)變測量、位移測量具有很好的重復(fù)性，表明該方法實(shí)現(xiàn)了大變形結(jié)構(gòu)重力的精準(zhǔn)扣除，方法可行有效。