飛機(jī)垂尾靜、動(dòng)載荷聯(lián)合加載裝置設(shè)計(jì)

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

0 引言

飛機(jī)飛行時(shí)承受氣動(dòng)載荷和渦流的隨機(jī)振動(dòng)，為了在地面較真實(shí)地模擬這些載荷對(duì)垂尾的作用進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了靜、動(dòng)載荷聯(lián)合加載裝置，要求靜、動(dòng)載荷加載力垂直翼面，激振點(diǎn)位置可調(diào)，并且垂尾受靜載變形時(shí)動(dòng)載設(shè)備應(yīng)隨動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，工作穩(wěn)定可靠，滿足有關(guān)性能指標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)分析

1.1 加載部件選型及運(yùn)動(dòng)分析

通常對(duì)翼面施加載荷選用液壓伺服作動(dòng)器，作用力范圍大，行程大，工作可靠，但在雙垂尾部位對(duì)翼面加載用液壓伺服作動(dòng)器，其長(zhǎng)度受兩垂尾之間空間限制，另外其質(zhì)量、剛度都會(huì)影響試件的振動(dòng)特性。氣囊則不然，如圖1所示（其中一個(gè)型號(hào)），可施加1kN到50kN的載荷甚至更高，而尺寸小、質(zhì)量小、剛度小，對(duì)試件的振動(dòng)特性影響小[1,2]，氣囊的柔性也可適應(yīng)試件小范圍變形，因此采用氣囊對(duì)垂尾施加靜載是很好的選擇。動(dòng)載設(shè)備選用電磁振動(dòng)臺(tái)，如圖2所示，激振力及激振頻率等性能指標(biāo)均可滿足要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。加載設(shè)備的布局如圖3所示（左右兩側(cè)垂尾情況相同），根據(jù)垂尾從頂部到底部對(duì)應(yīng)載荷及變形的位移量選取不同的氣囊，把氣囊布置在機(jī)翼兩邊，氣囊一端固定在框架上，一端與垂尾連接。由于垂尾頂部位移大，若用長(zhǎng)尺寸氣囊，水平安裝容易下垂，工作不穩(wěn)定，所以在這個(gè)位置采用氣缸并接短氣囊的方法滿足行程和載荷要求。把電磁振動(dòng)臺(tái)安置在氣囊外邊，中心對(duì)應(yīng)垂尾激振點(diǎn)，用其轉(zhuǎn)軸支撐，最終把氣囊和電磁振動(dòng)臺(tái)固定在同一框架上。

圖1 加載氣囊圖

圖2 電磁振動(dòng)臺(tái)圖

以右垂尾為例，工作開(kāi)始時(shí)氣囊和電磁振動(dòng)臺(tái)激振桿垂直翼面，當(dāng)氣囊向垂尾右側(cè)方向加載，垂尾向右彎曲A°并扭曲，（此處實(shí)際應(yīng)為曲線，簡(jiǎn)化為直線），振動(dòng)臺(tái)激振桿與翼面會(huì)形成90±A°夾角，要保證振動(dòng)臺(tái)激振桿跟隨垂尾激振點(diǎn)且繼續(xù)與翼面垂直，振動(dòng)臺(tái)和激振桿必須跟隨改變5個(gè)自由度，即俯仰旋轉(zhuǎn)A°，同時(shí)支持振動(dòng)臺(tái)的支撐轉(zhuǎn)軸必須沿Y向、X向和Z向（航向）移動(dòng)，還要繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)，變成虛線位置。

振動(dòng)臺(tái)支撐轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角α及Y向和X向的位移量與已知量的關(guān)系為：

其中R值由激振點(diǎn)位置確定，垂尾變形角A由有限元分析和靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合所得，L值的選取考慮氣囊與振動(dòng)臺(tái)之間的空間以及振動(dòng)臺(tái)后端與構(gòu)架不干涉為宜，可求得Y1、X1和Y2、 X2值。

Z向（航向）的位移量根據(jù)激振區(qū)域設(shè)定；垂尾繞自軸旋轉(zhuǎn)角B°如圖4所示，根據(jù)有限元分析和靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合所得。

圖3 加載設(shè)備布局及翼面投影圖

1.2 電磁振動(dòng)臺(tái)5自由度調(diào)姿結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)上述分析，每臺(tái)電磁振動(dòng)臺(tái)必須滿足軸向（Y向）、垂向（X向）、航向（Z向）的移動(dòng)和繞自軸俯仰運(yùn)動(dòng)及繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)才能滿足隨動(dòng)加載要求。如果對(duì)電磁振動(dòng)臺(tái)采用多支柱球鉸支撐形式或關(guān)節(jié)型機(jī)械手的形式實(shí)現(xiàn)5自由度運(yùn)動(dòng)，都是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)形式位移量小或剛性差[3,4]，因此對(duì)電磁振動(dòng)臺(tái)采用傾斜懸掛輔助支撐形式，在其內(nèi)部各方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)從下到上疊加藕合，如圖5所示，首先讓振動(dòng)臺(tái)可以繞自軸俯仰旋轉(zhuǎn)和激振桿軸向（Y向）移動(dòng)，然后可航向（Z向）移動(dòng)，再能垂向（X向）移動(dòng)。由于每個(gè)垂尾兩邊的2臺(tái)電磁振動(dòng)臺(tái)都必須繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)，因此把垂尾兩邊的2臺(tái)振動(dòng)臺(tái)的三方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)以及氣囊支撐架設(shè)計(jì)在同一框架上，即同一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，讓垂尾位于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的2臺(tái)電磁振動(dòng)臺(tái)和2組氣囊之間，如圖6所示。

圖4 右邊垂尾從上向下俯視圖

圖5 五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

圖6 五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型圖及內(nèi)部模型圖

1.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌型式

如圖7所示（拆解圖），采用上、下兩組大軸承組合使整體旋轉(zhuǎn)框架承受傾覆力矩，帶動(dòng)氣囊及振動(dòng)臺(tái)繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)。三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向的導(dǎo)軌采用新型燕尾槽導(dǎo)軌[5]結(jié)構(gòu)可承受傾覆力矩。

圖7 傾斜吊掛機(jī)構(gòu)拆解圖

常規(guī)燕尾槽導(dǎo)軌對(duì)于傾覆力矩造成的間隙不能得到很好的調(diào)整，因此設(shè)計(jì)了新型燕尾槽導(dǎo)軌，如圖8所示，凹導(dǎo)軌內(nèi)鑲兩個(gè)斜鑄塊與凸導(dǎo)軌配合，通過(guò)兩側(cè)的球頭螺栓推動(dòng)斜鑄塊調(diào)整間隙，靜動(dòng)導(dǎo)軌吻合度好，且斜鑄塊耐磨減振。

圖8 新型燕尾槽導(dǎo)軌圖

2 實(shí)施方案

本裝置工作原理如圖9所示。

圖9 工作原理圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10～圖13所示，氣囊固定在垂尾兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)整體框架側(cè)梁上，電磁振動(dòng)臺(tái)通過(guò)減振氣囊連接支撐旋轉(zhuǎn)軸（如圖2所示），支撐旋轉(zhuǎn)軸連接在5自由度運(yùn)動(dòng)構(gòu)架上，振動(dòng)臺(tái)軸向和航向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別由一臺(tái)伺服電機(jī)、一臺(tái)渦輪蝸桿減速機(jī)和一套絲杠絲母組成，分別驅(qū)動(dòng)軸向和航向的凹導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)；垂向移動(dòng)機(jī)構(gòu)用一臺(tái)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)升降框架兩側(cè)的垂向升降機(jī)，升降機(jī)上的絲母連接升降框架，帶動(dòng)下部其它運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及振動(dòng)臺(tái)傾斜式上下運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)繞自軸俯仰運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直角形渦輪蝸桿減速機(jī)，輸出軸上齒輪驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)軸上的齒輪完成旋轉(zhuǎn)。整體框架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為上、下兩副圓形滑動(dòng)導(dǎo)軌，摩擦副材料為45鋼和錫青銅，脂潤(rùn)滑。由于繞垂尾旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)尺寸和質(zhì)量大，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力為伺服液壓缸驅(qū)動(dòng)，選用2臺(tái)單出桿非對(duì)稱伺服液壓缸，為避免換向時(shí)發(fā)生壓力突變，對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響[6]，我們把2臺(tái)非對(duì)稱缸設(shè)計(jì)成一推一拉形式，布置在下部圓導(dǎo)軌兩側(cè)，進(jìn)油管并接一個(gè)液壓缸的有桿腔和另一個(gè)液壓缸的無(wú)桿腔，出油管相反并接一個(gè)液壓缸的無(wú)桿腔和另一個(gè)液壓缸的有桿腔，這樣整體框架旋轉(zhuǎn)換向或調(diào)速時(shí)都會(huì)用其中一個(gè)液壓缸的無(wú)桿腔和另一個(gè)液壓缸的有桿腔工作，所以調(diào)速或正反向工作時(shí)油腔容積相同，流量和壓力不會(huì)突變，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，也節(jié)省空間。旋轉(zhuǎn)制動(dòng)為活塞桿上安裝機(jī)械式液壓鎖，斷電或無(wú)壓力油供給時(shí)其內(nèi)部蝶簧鎖緊液壓缸活塞桿不動(dòng)，同時(shí)伺服電機(jī)也有鎖緊功能，使整體框架不得旋轉(zhuǎn)。

在圓形導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)了可拆裝開(kāi)口結(jié)構(gòu)，拆開(kāi)活動(dòng)塊，垂尾隨飛機(jī)可直接推入整體框架內(nèi)，為試驗(yàn)換裝和維修節(jié)約大量人力物力。

圖10 加載設(shè)備航向圖

圖11 去掉整體框架的航向圖

圖12 去掉整體框架Y向圖

圖13 加載設(shè)備俯視圖

3 強(qiáng)度分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

旋轉(zhuǎn)整體框架是本設(shè)備的重要受力構(gòu)件，強(qiáng)度分析如下。圖14是整體框架部分的有限元模型，材料為：Q235，橫梁、立柱、斜撐以及上下兩個(gè)圓形導(dǎo)軌用梁元模擬；上下面板，加強(qiáng)板用四邊形和三角形單元模擬；內(nèi)部?jī)蓚?cè)的振動(dòng)臺(tái)及運(yùn)動(dòng)裝置分別用集中質(zhì)量元模擬。由于框架是對(duì)稱的，我們考慮氣囊載荷和激振力載荷的反作用力施加在一邊框架上。由圖15可見(jiàn)，垂尾上共布置有5行12個(gè)氣囊，激振力反作用力施加在激振器質(zhì)量元所在節(jié)點(diǎn)上。由于框架固定在上下兩個(gè)圓形導(dǎo)軌上，我們?cè)谏舷聝蓚€(gè)圓形導(dǎo)軌四周共9個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加簡(jiǎn)支約束，約束3個(gè)平動(dòng)位移。

圖14 整體框架模型圖

圖15 有限元模型載荷圖

整個(gè)模型共308個(gè)節(jié)點(diǎn)346個(gè)單元。x方向的外載荷為氣囊載荷和激振力載荷之和。z方向外載荷是重力載荷。圖16～圖18顯示變形及x方向、y方向和z方向位移云圖，由圖中可見(jiàn)，整個(gè)模型的最大位移4.22mm。其中z方向位移分量最大，因?yàn)橹亓d荷比較大。y方向位移分量最小，因?yàn)閥方向沒(méi)有載荷。x方向的位移分量在-0.09～1.93之間，其中在氣囊載荷反作用力作用的幾個(gè)橫梁上位移較大，四個(gè)豎向滑軌梁上x(chóng)方向的位移分量較小，在0.17mm以下。

圖16 x方向位移云圖

圖17 y方向位移云圖

圖18 z方向位移云圖

圖19 梁元最大組合應(yīng)力圖

圖20 板元應(yīng)力圖

圖19顯示梁元最大組合應(yīng)力，最大應(yīng)力53.58Mpa，在下部大圓導(dǎo)軌上。圖20顯示板元vonMises應(yīng)力，最大應(yīng)力101Mpa。

安全裕度：

動(dòng)強(qiáng)度校核有限元模型如圖21所示，整個(gè)模型由殼單元和體單元組成，部件之間的連接采用Rbe2單元連接，單元總數(shù)128.6萬(wàn)。模態(tài)計(jì)算得前3階結(jié)果如圖22～圖24所示，第三階模態(tài)為激振方向，頻率57.7Hz，不在試驗(yàn)頻率范圍，設(shè)備安全。

對(duì)剛度較弱部位通過(guò)增加筋板和減輕質(zhì)量，提高了剛度，改善了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能[7～9]，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖21 固支邊界條件圖

圖22 模態(tài)1，頻率49.7Hz

圖23 模態(tài)2，頻率50.2Hz

圖24 模態(tài)3，頻率57.7Hz

設(shè)備調(diào)試，首先計(jì)算機(jī)控制伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)在5自由度行程范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，各方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活自如，與氣囊及其他附件無(wú)干涉。然后安裝垂尾假件，模擬試驗(yàn)，一切符合要求，然后，將飛機(jī)推入本裝置內(nèi)，確定激振點(diǎn)位置，調(diào)整振動(dòng)臺(tái)位姿，讓激振桿對(duì)準(zhǔn)垂尾激振點(diǎn)與翼面垂直，對(duì)垂尾進(jìn)行掃頻，掌握垂尾的動(dòng)態(tài)性能，然后按照抖振試驗(yàn)載荷譜進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠。

4 結(jié)論

本裝置克服了飛機(jī)自身空間尺寸的限制，使加載系統(tǒng)盡可能小的影響飛機(jī)的剛度及動(dòng)態(tài)性能，五自由度隨動(dòng)功能靈活可靠，在設(shè)備減振、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)、飛機(jī)的維修換裝方面也進(jìn)行了考慮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)垂尾進(jìn)行靜、動(dòng)載荷聯(lián)合加載的目的，為較真實(shí)的模擬飛機(jī)氣動(dòng)載荷在地面進(jìn)行試驗(yàn)提供了先進(jìn)的平臺(tái)，本裝置對(duì)其他試件進(jìn)行聯(lián)合隨動(dòng)加載具有借鑒意義。

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