一種可變剛度的載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)調(diào)試臺(tái)架

，，

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

近年來(lái)，隨著軍、民用運(yùn)輸機(jī)、無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展，柔性機(jī)翼的廣泛應(yīng)用給飛機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)及飛行載荷測(cè)量提出了更高的要求。機(jī)翼高載、大變形等特點(diǎn)是載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)不可回避的問(wèn)題，如何更充分地研究并解決由于試驗(yàn)部件變形帶來(lái)的加載難題已成為提升載荷校準(zhǔn)技術(shù)、提高試驗(yàn)安全的必由之路。

國(guó)外試飛機(jī)構(gòu)近數(shù)十年對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的軍、民用運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼進(jìn)行了載荷測(cè)量，形成了成熟的飛機(jī)載荷測(cè)量技術(shù)[1-2]，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。2002年，NASA也曾專門(mén)開(kāi)展了校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)變形監(jiān)測(cè)及研究，掌握了變形情況下載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方法。另外，美國(guó)MTS公司為研究作動(dòng)筒自身特性及多個(gè)作動(dòng)筒協(xié)調(diào)性，曾開(kāi)發(fā)過(guò)一套液壓作動(dòng)筒調(diào)試臺(tái)架，針對(duì)作動(dòng)筒特性及控制軟件參數(shù)適配性進(jìn)行過(guò)大量的研究，形成了較為成熟的協(xié)調(diào)加載控制技術(shù)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了大量的協(xié)調(diào)加載控制和試驗(yàn)安全研究[3-7]，但未能在調(diào)試試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)翼大變形的模擬。

1 問(wèn)題及分析

對(duì)于柔性機(jī)翼而言，隨著承受載荷的增加，其變形逐步增加，較大的機(jī)翼變形給載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)帶來(lái)以下難題：多通道校準(zhǔn)載荷施加、受載狀態(tài)下作動(dòng)筒與機(jī)翼變形的匹配性、大變形狀態(tài)下試驗(yàn)中斷的安全保護(hù)措施等，這些因素對(duì)試驗(yàn)安全有著至關(guān)重要的影響。因此，為了提高試驗(yàn)安全，需在正式試驗(yàn)前進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，并盡可能模擬高載大變形試驗(yàn)工況，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)工況優(yōu)化、降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的目的。因此在調(diào)試試驗(yàn)時(shí)需要設(shè)計(jì)一種專用的試驗(yàn)臺(tái)架，該臺(tái)架既要能夠承受較大的試驗(yàn)載荷，又可模擬機(jī)翼變形量，而在設(shè)計(jì)過(guò)程中不同變形量的模擬最難實(shí)現(xiàn)。為解決該問(wèn)題，本文提出一種可變剛度的載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)調(diào)試臺(tái)架設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變活動(dòng)鋼梁的局部剛度來(lái)模擬大展弦比機(jī)翼不同區(qū)域的變形量，以滿足調(diào)試試驗(yàn)的需求。

對(duì)于機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，理想狀態(tài)是將其設(shè)計(jì)為等強(qiáng)度機(jī)翼，然而在實(shí)際中，對(duì)于機(jī)翼上有集中載荷作用(翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼起落架、增升裝置連接點(diǎn))的機(jī)翼，局部剛度卻會(huì)沿展向發(fā)生變化，甚至出現(xiàn)分段，因此在模擬機(jī)翼剛度時(shí)，必須進(jìn)行工程簡(jiǎn)化。由于大展弦比雙梁結(jié)構(gòu)機(jī)翼結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化為一端固支的懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此可利用設(shè)計(jì)計(jì)算及靜力試驗(yàn)結(jié)果繪制出機(jī)翼展向變形分布圖，再利用數(shù)段斜直線近似的擬合，即可初步獲取機(jī)翼的局部剛度變化，如圖1。

圖1 機(jī)翼剛度變化示意圖 圖2 剛度模擬裝置示意圖

通過(guò)簡(jiǎn)化后，剛度模擬裝置如圖2所示，在剛架內(nèi)鉸接安裝一模擬機(jī)翼某盒段的剛性梁，通過(guò)可控制剛度彈簧來(lái)模擬該段機(jī)翼的剛度，梁上依據(jù)機(jī)翼加載點(diǎn)的分布布置加載作動(dòng)筒，以此來(lái)在剛度模擬裝置上進(jìn)行作動(dòng)筒的調(diào)試。

2 調(diào)試臺(tái)架設(shè)計(jì)

2.1 變剛度實(shí)現(xiàn)原理

為實(shí)現(xiàn)剛度模擬，將囊式空氣彈簧組固定在調(diào)試剛梁的上下兩端，可分別模擬壓向及拉向加載時(shí)機(jī)翼的剛度，通過(guò)改變空氣彈簧的內(nèi)部壓力即實(shí)現(xiàn)可變剛度模擬。

調(diào)試臺(tái)架所選用囊式空氣彈簧組，其結(jié)構(gòu)如圖3，參數(shù)如圖4。彈簧所受載荷為P，則：

P=Ap

(1)

式中：p空氣彈簧內(nèi)壓力；A有效面積。

那么對(duì)于囊式空氣彈簧組而言，剛度即為其導(dǎo)數(shù)P′：

圖3 空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 空氣彈簧幾何參數(shù)

(2)

式中：pa大氣壓力；R有效半徑；V空氣彈簧有效容積；a形狀系數(shù)；n空氣彈簧曲數(shù)；m多變指數(shù)。

通過(guò)上面的公式可知：改變空氣彈簧的內(nèi)部壓力即可改變其剛度特性。通過(guò)試驗(yàn)控制系統(tǒng)控制充氣閥對(duì)空氣彈簧的充氣壓力，不同壓力對(duì)應(yīng)不同的剛度特性，即可實(shí)現(xiàn)變剛度模擬。

2.2 臺(tái)架設(shè)計(jì)

圖5 調(diào)試臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)試臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)如圖5。主要由活動(dòng)剛梁、調(diào)試剛梁支座、空氣彈簧組、彈簧支撐架等組成。

調(diào)試剛梁支座通過(guò)地腳螺栓固定在承力地軌上，頂端通過(guò)單雙耳與剛梁鉸接，其主要作用是支撐活動(dòng)剛梁。單臺(tái)調(diào)試臺(tái)架由兩根剛梁組成，用來(lái)模擬機(jī)翼盒段的受載面。單根剛梁上分布有多個(gè)調(diào)試加載點(diǎn)，用于模擬機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載點(diǎn)。彈簧支撐架固定在承力地軌上，主要作用是在工作過(guò)程中與空氣彈簧組產(chǎn)生相互擠壓作用。通過(guò)多臺(tái)臺(tái)架同時(shí)使用，可模擬機(jī)翼不同區(qū)域在受載情況下的不同變形量。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

針對(duì)某機(jī)翼載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)，利用調(diào)試臺(tái)架配合液壓作動(dòng)筒進(jìn)行工況模擬試驗(yàn)，從而完成作動(dòng)筒調(diào)試、控制系統(tǒng)參數(shù)配置、以及調(diào)試臺(tái)架技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證、大載荷大變形工況模擬等試驗(yàn)。

3.1 定剛度試驗(yàn)

圖6 調(diào)試臺(tái)架承受總載荷

圖7 作動(dòng)筒加載載荷

圖8 高載大變形試驗(yàn)

在利用調(diào)試臺(tái)架完成作動(dòng)筒性能調(diào)試和控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行了定剛度調(diào)試試驗(yàn)，其目的是驗(yàn)證作動(dòng)筒的加載載荷、驗(yàn)證調(diào)試臺(tái)架的承載設(shè)計(jì)指標(biāo)。進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，將彈簧組壓力加至最大與活動(dòng)鋼梁連接，在活動(dòng)鋼梁與支座連接處進(jìn)行限位連接，從而實(shí)現(xiàn)定剛度。圖6所示的是多個(gè)作動(dòng)筒同時(shí)加載時(shí)的臺(tái)架總載荷，圖7所示的是各作動(dòng)筒的施加載荷，圖8所示的是定剛度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的臺(tái)架其功能和承載能力指標(biāo)滿足調(diào)試試驗(yàn)的需求。

3.2 高載大變形試驗(yàn)

在調(diào)試臺(tái)架承載能力驗(yàn)證之后，進(jìn)行了高載大變形調(diào)試試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將彈簧組與活動(dòng)鋼梁連接，活動(dòng)鋼梁與支座之間采用鉸接連接，通過(guò)改變彈簧組的氣壓實(shí)現(xiàn)不同剛度的模擬。圖8所示的是高載荷大變形試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖9所示的是不同彈簧壓力下活動(dòng)鋼梁位移自由端隨施加載荷的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)試臺(tái)架能夠模擬柔性機(jī)翼變形，能夠滿足調(diào)試試驗(yàn)需求。

圖9 活動(dòng)鋼梁自由端變形量

4 結(jié)論

1)為解決柔性機(jī)翼載荷校準(zhǔn)調(diào)試試驗(yàn)中的變形模擬問(wèn)題，本文提出了一種可變剛度的載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)調(diào)試臺(tái)架設(shè)計(jì)方法。利用調(diào)試臺(tái)架進(jìn)行了柔性機(jī)翼變形模擬試驗(yàn)研究。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的調(diào)試臺(tái)架其功能和承載能力能夠滿足調(diào)試試驗(yàn)的需求，能實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)翼的大變形模擬。

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