水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

張 柁，張 園，何月洲，王 海

（1.中國(guó)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)試驗(yàn)室，陜西?西安?710065；?2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西?西安?710021）

水陸兩棲飛機(jī)承載著森林滅火、海上救援等特殊作業(yè)任務(wù)，需要頻繁地在水上降落，機(jī)身結(jié)構(gòu)為船體形狀，承受著船體撞擊的壓力和高速滑行時(shí)的水動(dòng)壓力。為了保證其在波浪水面上降落時(shí)機(jī)體結(jié)構(gòu)的安全性，著水載荷的精準(zhǔn)施加至關(guān)重要[1-2]。然而，由于機(jī)身船底水載荷作用區(qū)域結(jié)構(gòu)具有水箱口蓋、抑波板、舭彎、龍骨梁和斷階框等特殊結(jié)構(gòu)，且船體表面為大面積復(fù)雜曲面，對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)[3-6]。

本文以水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)為研究對(duì)象，從試驗(yàn)的支持方案、試驗(yàn)載荷處理、試驗(yàn)加載方法、試驗(yàn)結(jié)果分析等方面對(duì)船尾著水試驗(yàn)進(jìn)行研究，并提出一套完整的試驗(yàn)方案。

1??試驗(yàn)方案

1.1??試驗(yàn)支持

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 67A.9-2009中“3.1.8 試驗(yàn)件支持”要求：“全機(jī)試驗(yàn)的約束點(diǎn)應(yīng)是靜定的”，“支持系統(tǒng)有空間使飛機(jī)自由變形和安裝試驗(yàn)加載設(shè)備”，“支持系統(tǒng)應(yīng)滿足試驗(yàn)要求的強(qiáng)度和剛度”。目前，國(guó)內(nèi)全機(jī)靜力試驗(yàn)普遍采用六自由度靜定約束?；谏鲜隹紤]，水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)選用前起落架和左右主起落架作為主要垂向約束部位，限制試驗(yàn)機(jī)垂向剛體位移和俯仰、滾轉(zhuǎn)自由度。

試驗(yàn)支持定義如下：在前起落架、左右主起落架約束垂直方向線位移，這3個(gè)約束點(diǎn)可提供垂向、俯仰和滾轉(zhuǎn)約束。在左、右主起落架航向各布置1點(diǎn)，可提供航向和偏航約束。在左主起落架布置側(cè)向約束點(diǎn)，可提供側(cè)向約束。在此支持狀態(tài)下，飛機(jī)呈靜定約束，試驗(yàn)支持示意圖見(jiàn)圖1，約束點(diǎn)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

圖1 水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)支持示意圖

1.2??載荷處理

水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)載荷包括機(jī)身載荷、機(jī)翼載荷、平尾載荷、水載荷、短艙氣動(dòng)和慣性載荷。

載荷處理依據(jù)以下原則進(jìn)行：

（1）在保證總載荷、總壓心不變的前提下，盡可能保證考核區(qū)域的受力真實(shí)，對(duì)試驗(yàn)中非考核結(jié)構(gòu)部位的試驗(yàn)載荷可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化；

（2）載荷簡(jiǎn)化不影響局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考核，也不應(yīng)導(dǎo)致非考核部位出現(xiàn)非正常的永久性變形或破壞，處理后載荷對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響盡可能小。

表1 約束點(diǎn)設(shè)置

1.3??加載方法

機(jī)翼垂向載荷、平尾垂向載荷、機(jī)身垂向載荷、機(jī)身航向載荷主要采用膠布帶—杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載，膠布帶—杠桿系統(tǒng)加載示意圖如圖2所示。

圖2 膠布帶—杠桿系統(tǒng)加載示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)載荷采用發(fā)動(dòng)機(jī)假件接頭進(jìn)行加載，發(fā)動(dòng)機(jī)假件及其接頭如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)假件及其接頭

根據(jù)運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)（CCAR-25-R4）中第25.533條的要求，水載荷加載面積應(yīng)盡可能大地覆蓋水載荷作用區(qū)域，并要求以連續(xù)均勻的分布載荷形式施加。傳統(tǒng)的膠布帶杠桿、拉壓墊杠桿等加載方法主要施加節(jié)點(diǎn)載荷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻連續(xù)加載。對(duì)于全機(jī)狀態(tài)下的水載荷試驗(yàn)，由于存在較大的剛體位移，在部件情況下的氣囊加載技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜。均勻連續(xù)加載特性比較好的氣囊加載技術(shù)由于無(wú)法適應(yīng)結(jié)構(gòu)比較大的剛體位移和變形，設(shè)計(jì)難度增加，無(wú)法適應(yīng)水載荷加載需求。另外，考慮到機(jī)身船體存在抑波板（槽）、舭彎、龍骨、斷階框、水箱口蓋等特殊結(jié)構(gòu)，載荷量級(jí)大，加載面積大等因素，機(jī)身水載荷采用加載塊—杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載。水載荷加載塊—杠桿系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 水載荷加載塊—杠桿系統(tǒng)示意圖

1.4??試驗(yàn)控制系統(tǒng)

試驗(yàn)加載控制設(shè)備使用FlexTest 200協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)誤差不大于1%FS（FS為滿量程），可以滿足任務(wù)書(shū)對(duì)加載誤差的要求，即相對(duì)每一級(jí)載荷值，均滿足：

（1）各加載點(diǎn)協(xié)調(diào)加載；

（2）加載點(diǎn)動(dòng)態(tài)誤差≤3%Pmax（Pmax為該點(diǎn)最大載荷值）；

（3）加載點(diǎn)靜態(tài)誤差≤1%Pmax；

（4）試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)保存加載系統(tǒng)保護(hù)前后各10s的載荷數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)前應(yīng)確認(rèn)加載控制系統(tǒng)的安全保證措施能夠良好運(yùn)行，按要求設(shè)置好各種保護(hù)值：

（1）加載協(xié)調(diào)性，為保證試驗(yàn)加載的協(xié)調(diào)性，需設(shè)置靜、動(dòng)踏步的誤差，動(dòng)踏步誤差設(shè)為3%Pmax，靜踏步誤差設(shè)為1%Pmax。

（2）超差保護(hù)，設(shè)置EDⅠ和EDⅡ兩個(gè)超差保護(hù)限，EDⅠ設(shè)為3%FS，超差延時(shí)2s，系統(tǒng)報(bào)警；EDⅡ設(shè)為5%FS，超差延時(shí)2s，加載系統(tǒng)卸載。

（3）超限保護(hù)，Limit限設(shè)為Pmax+10%Pmax（如果10%Pmax＜5kN，按5kN），超限自動(dòng)卸載，參見(jiàn)圖5。

（4）故障數(shù)據(jù)回收，F(xiàn)lexTest 200加載控制系統(tǒng)設(shè)置為記錄故障卸載前10s和卸載后10s的應(yīng)急卸載控制數(shù)據(jù)。

圖5 控制系統(tǒng)保護(hù)示意圖

1.5??試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用HBM、ST18-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能對(duì)應(yīng)變、位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集，在采集過(guò)程中可對(duì)選定的重要通道實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、曲線。

（1）應(yīng)變片采用BE系列A級(jí)應(yīng)變片；

（2）位移傳感器采用電流型拉繩式位移傳感器，允許誤差小于或等于0.5%FS；

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量誤差不大于1%FS，滿足任務(wù)書(shū)對(duì)測(cè)量精度的要求。

本項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)量包括應(yīng)變測(cè)量和位移測(cè)量，應(yīng)變測(cè)量10736片，位移測(cè)量點(diǎn)81個(gè)。

2??試驗(yàn)程序

限制載荷靜力試驗(yàn)按以下程序進(jìn)行：

（1）各崗位完成所負(fù)責(zé)的設(shè)備、儀器、儀表的檢查和維護(hù)并報(bào)告指揮；

（2）加壓進(jìn)扣重波段，并檢查油路、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、加載設(shè)備是否正常；

（3）以5%為一級(jí)，逐級(jí)加載至20%極限載荷，保載；

（4）檢查設(shè)備；

（5）以5%為一級(jí)，逐級(jí)加載至40%極限載荷，保載；

（6）檢查設(shè)備，確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常；

（7）以5%為一級(jí)，繼續(xù)加載至65%極限載荷；

（8）以2%為一級(jí)，繼續(xù)加載至67%極限載荷，保載30s；

（9）以7%為一級(jí)，卸載至60%極限載荷；

（10）以10%為一級(jí)，逐級(jí)卸載至初始波段，保載3min再次測(cè)量后卸壓；

（11）在試驗(yàn)過(guò)程中，逐級(jí)測(cè)量應(yīng)變、位移，并全程錄像；

（12）對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行全面的檢查，并填寫(xiě)試驗(yàn)變形檢查記錄表；

（13）試驗(yàn)結(jié)束后，將資料存盤(pán)，及時(shí)歸檔。

3??試驗(yàn)結(jié)果

水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

3.1??試驗(yàn)加載結(jié)果

67%極限載荷試驗(yàn)結(jié)束后，機(jī)房對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回收，根據(jù)各加載點(diǎn)命令值和反饋值，得到各加載點(diǎn)的加載百分比，水載荷加載點(diǎn)加載結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，力控加載點(diǎn)誤差不超過(guò)1%Pmax，滿足試驗(yàn)大綱和任務(wù)書(shū)要求。

表2 船尾著水試驗(yàn)加載結(jié)果

加載到67%極限載荷狀態(tài)下，約束點(diǎn)實(shí)際反饋值與理論值比較見(jiàn)表3，表3中載荷為保載30s結(jié)束時(shí)反饋值。表中數(shù)據(jù)表明，約束點(diǎn)載荷誤差均小于8000N，滿足試驗(yàn)大綱要求。

表3 船尾著水試驗(yàn)約束點(diǎn)載荷及誤差。

3.2??試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)包括應(yīng)變數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)。

3.2.1??應(yīng)變數(shù)據(jù)處理方法

（1）剔除失效測(cè)量點(diǎn)。剔除無(wú)線性、異常跳動(dòng)等應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（2）金屬材料應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力數(shù)據(jù)。

①單應(yīng)變轉(zhuǎn)換應(yīng)力方法：

其中：σ為單應(yīng)力；E為彈性模量；ε為單片應(yīng)變值。

②應(yīng)變叢轉(zhuǎn)換主應(yīng)力方法：

其中：σ1為最大主應(yīng)力；σ2為最小主應(yīng)力；E為彈性模量；μ為泊松比；ε0、ε45、ε90為應(yīng)變叢3個(gè)方向的應(yīng)變值。

（3）繪制部分應(yīng)變—載荷曲線。

應(yīng)變—載荷曲線：橫坐標(biāo)為載荷百分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為應(yīng)變值。

3.2.2??位移數(shù)據(jù)處理方法

（1）剔除失效測(cè)量點(diǎn)。剔除試驗(yàn)中由于異常干擾產(chǎn)生的無(wú)效數(shù)據(jù)。

（2）繪制部分位移—載荷曲線。位移—載荷曲線：橫坐標(biāo)為載荷百分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為位移值。

3.2.3??應(yīng)變數(shù)據(jù)線性分析

水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)部分應(yīng)變片應(yīng)變—載荷曲線見(jiàn)圖7～圖9。綜上，該試驗(yàn)主要考核部位上應(yīng)變—載荷曲線線性較好。

圖7 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)外翼壁板應(yīng)變—載荷曲線

通過(guò)應(yīng)變數(shù)據(jù)重復(fù)性分析和線性分析，可以得出結(jié)論：本次試驗(yàn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)是有效的。

圖8 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)中央翼壁板應(yīng)變—載荷曲線

圖9 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)中央翼前梁應(yīng)變—載荷曲線

3.2.4??位移數(shù)據(jù)線性分析

水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)部分位移點(diǎn)位移-載荷曲線見(jiàn)圖10～圖12。由圖可知，機(jī)翼位移—載荷曲線線性較好。

圖10 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)右機(jī)翼位移—載荷曲線

通過(guò)位移數(shù)據(jù)重復(fù)性分析和線性分析，由此可以得出結(jié)論：本次試驗(yàn)的位移數(shù)據(jù)是有效的。

4??結(jié)論

圖11 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)左機(jī)翼位移—載荷曲線

圖12 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)機(jī)身位移—載荷曲線

針對(duì)水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)，提出了一種船尾著水試驗(yàn)技術(shù)，并順利完成了強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，載荷施加準(zhǔn)確，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。試驗(yàn)的順利完成，表明試驗(yàn)支持方案、試驗(yàn)載荷處理、試驗(yàn)加載方法等合理、科學(xué)，試驗(yàn)加載系統(tǒng)可靠，為其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)提供參考。