大面積連續(xù)壓向載荷模擬施加技術(shù)研究

王海 杜峰 杜星 何月洲

摘要：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中大面積連續(xù)壓向載荷為主要載荷形式。目前國內(nèi)外成熟的載荷施加方法主要采用有限個(gè)離散的節(jié)點(diǎn)集中力進(jìn)行模擬，且通常將壓向載荷盡可能地轉(zhuǎn)換為拉向載荷施加，以避免考慮試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度、變形適應(yīng)性及試驗(yàn)裝置壓向穩(wěn)定性等問題。為了更加真實(shí)地模擬壓向分布載荷，針對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中大面積連續(xù)復(fù)雜壓向載荷施加問題，本文提出了一種多層級(jí)耦合傳載彈性體結(jié)構(gòu)加載技術(shù)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)專用加載裝置，并成功應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)加載過程平穩(wěn)、可靠，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果吻合良好。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜分布?jí)毫?；聚氨酯；彈性體耦合傳載；連續(xù)載荷施加；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：V216.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.003

水上飛機(jī)除承受傳統(tǒng)陸基飛機(jī)的氣動(dòng)載荷、地面載荷、慣性載荷和發(fā)動(dòng)機(jī)載荷等外，還會(huì)受到水動(dòng)力載荷[1，2]，載荷形式多樣，載荷工況復(fù)雜。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，通常將飛機(jī)所受到的真實(shí)載荷經(jīng)過幾輪演算等效，簡(jiǎn)化后形成直接用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)的載荷輸入，如有限元節(jié)點(diǎn)載荷、集中載荷、分布載荷等[1-5]。目前國內(nèi)外比較成熟的試驗(yàn)加載方法主要有膠布帶、拉壓墊、木模、吸盤、卡板、氣囊、固定接頭等[6-11]，其中大部分加載方法是通過設(shè)計(jì)一套專用杠桿系統(tǒng)將分布載荷或大的集中載荷離散成有限個(gè)小集中載荷。且當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度、變形適應(yīng)性及試驗(yàn)裝置壓向穩(wěn)定性等試驗(yàn)設(shè)計(jì)和工程實(shí)施問題時(shí)，通常將壓向載荷盡可能地轉(zhuǎn)換為拉向載荷施加[2-3]。

然而，飛機(jī)載荷經(jīng)演算等效后不能反映飛機(jī)結(jié)構(gòu)的真實(shí)受載情況。尤其是飛機(jī)翼面等部位實(shí)際工況所承受的載荷主要表現(xiàn)為大面積連續(xù)復(fù)雜分布?jí)合蜉d荷，如各類翼面結(jié)構(gòu)所受到的升力。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面較為理想地模擬大面積連續(xù)分布?jí)合蜉d荷，上述現(xiàn)有的加載方法均不能適用。氣囊加載方法可以實(shí)現(xiàn)壓向連續(xù)均布加載，但氣囊需要制作封閉金屬容器來限制氣囊在載荷工作面外的張力[8]，復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面和結(jié)構(gòu)變形不利于氣囊加載裝置的安裝和密封，高載時(shí)容易發(fā)生嚴(yán)重漏氣、爆炸、跟隨性差等風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)不可控。

為了滿足壓向載荷的大面積連續(xù)施加要求，更加真實(shí)地模擬飛機(jī)結(jié)構(gòu)承受的大面積連續(xù)壓向載荷的分布特征和連續(xù)性，本文提出了一種載荷模擬施加技術(shù)，并研發(fā)了新的試驗(yàn)裝置成功應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)。

1大面積連續(xù)壓向載荷模擬施加技術(shù)

結(jié)合以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，提出彈性體耦合傳載與疊加模型，研發(fā)了一種多層級(jí)連續(xù)彈性體結(jié)構(gòu)加載裝置，通過合理設(shè)計(jì)彈性加載墊和剛性離散塊的材料屬性、總體結(jié)構(gòu)尺寸等主要參數(shù)，充分發(fā)揮彈性介質(zhì)對(duì)各離散點(diǎn)集中力的耦合傳載作用和對(duì)結(jié)構(gòu)變形的適應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)大面積連續(xù)壓向載荷的模擬施加。多層級(jí)耦合傳載彈性體結(jié)構(gòu)加載技術(shù)使用連續(xù)彈性體材料覆蓋加載區(qū)域，通過剛度設(shè)計(jì)解決各離散點(diǎn)對(duì)集中載荷的分布能力和變形自適應(yīng)能力，增強(qiáng)各離散點(diǎn)間的傳載耦合作用，使得剛性離散塊與彈性加載墊剛?cè)狁詈献饔脤⒍帱c(diǎn)離散載荷耦合成作用區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布載荷[12-13]。

試驗(yàn)時(shí)通過杠桿系統(tǒng)將作動(dòng)器集中載荷施加到彈性加載墊表面的剛性離散塊，經(jīng)過連續(xù)彈性體傳遞到結(jié)構(gòu)表面。杠桿系統(tǒng)和剛性離散塊保證了載荷分布規(guī)律的正確性，保證了作用面的接觸面壓力分布特性，其加載形式如圖1所示。無論結(jié)構(gòu)曲面凸凹情況，只要曲面與彈性體貼合不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，就能耦合傳遞連續(xù)分布?jí)毫d荷。

2多層級(jí)耦合傳載彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布?jí)毫d荷連續(xù)加載的關(guān)鍵在于利用剛性離散塊與彈性加載墊對(duì)多點(diǎn)集中力的耦合傳遞作用。本節(jié)著重探討采用彈性體多層耦合傳載結(jié)構(gòu)加載墊實(shí)現(xiàn)加載時(shí)的接觸面載荷分布情況。在諸多影響因素中，剛性離散塊的規(guī)格及布置、彈性加載墊材料屬性（E、σ）及厚度H等關(guān)鍵參數(shù)是影響耦合傳載的主要關(guān)鍵因素。本文根據(jù)某型飛機(jī)實(shí)際的加載需要，建立如圖2所示的計(jì)算模型，選取L=900mm的典型承力結(jié)構(gòu)段進(jìn)行多點(diǎn)耦合連續(xù)傳載技術(shù)研究，分析加載墊傳力特性和加載接觸面載荷分布特征，用于指導(dǎo)彈性體多層結(jié)構(gòu)載荷加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1剛性離散塊規(guī)格設(shè)計(jì)

借鑒參考文獻(xiàn)[9]中拉壓墊尺寸，設(shè)計(jì)剛性離散塊底面為120mm×80mm，在載荷均布、接觸面積及加載墊材料屬性不變的情況下，離散塊厚度是影響接觸面耦合均布傳載效果的關(guān)鍵因素。計(jì)算模型如圖3（a）所示，對(duì)比不同厚度下離散塊與加載墊接觸面壓力分布曲線（見圖3（b）），厚度T從10mm增加到40mm，離散塊與加載墊接觸面壓力均布性逐漸增強(qiáng)，但30mm以后變化幅度較小，考慮加載設(shè)備重量和經(jīng)濟(jì)性，可選用T=20～30mm的硬鋁塊制作離散塊。

2.2離散塊數(shù)量N和間距D的影響

確定剛性離散塊尺寸后，多個(gè)離散塊與彈性加載墊構(gòu)成多點(diǎn)耦合連續(xù)加載系統(tǒng)，在一定的加載區(qū)域內(nèi)，控制其他變量不變，對(duì)比不同離散點(diǎn)數(shù)量N和間距D對(duì)施加到承力結(jié)構(gòu)表面壓力分布的影響（見圖4），結(jié)果表明布置的離散點(diǎn)越多，施加到承力結(jié)構(gòu)表面的載荷均布性越好。當(dāng)離散點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到8以后，均布效果變化不大，同時(shí)為了便于杠桿連接，可選擇N=8，此時(shí)剛性離散塊間距D=100mm，相鄰離散塊間隙為20mm。

2.3彈性加載墊材料屬性（E，σ）的影響

選用木材（E=1.3GPa，σ=0.38）、硫化橡膠（E=60MPa，σ=0.47）及聚氨酯（E=170MPa，σ=0.43，肖氏硬度85A）三種材料設(shè)計(jì)彈性加載墊，對(duì)比了不同彈性材料屬性對(duì)承力結(jié)構(gòu)表面力的影響，如圖5所示。加載過程中承力結(jié)構(gòu)發(fā)生局部變形，相比于聚氨酯、橡膠等彈性較好的材料，木材的局部變形協(xié)調(diào)能力較差，木塊與結(jié)構(gòu)局部變形不協(xié)調(diào)時(shí)，載荷會(huì)傳遞到承力結(jié)構(gòu)兩端變形較小、剛度較大的約束區(qū)，從而造成兩端載荷大、中間載荷小的不均勻分布現(xiàn)象。對(duì)比結(jié)果表明，聚氨酯與橡膠材料都具有較好的傳載多點(diǎn)耦合均布加載效果。但考慮到聚氨酯原材料可定制，承載能力更強(qiáng)，且比硫化橡膠機(jī)械加工性能更好，以聚氨酯材料制作彈性加載墊。

本文優(yōu)先選用聚氨酯材料[14]制作彈性加載點(diǎn)，以便針對(duì)機(jī)體載荷施加部位的復(fù)雜曲面及特殊結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)控機(jī)加修形。

2.4彈性加載墊厚度H的影響

彈性加載墊厚度H對(duì)耦合傳載性能有明顯影響，前述計(jì)算模型均定義H=100mm。加載墊厚度H對(duì)承力結(jié)構(gòu)表面的影響如圖6所示，聚氨酯加載墊厚度從H=25mm提高到H=50mm，接觸面載荷均布性提高明顯，厚度超過50mm后，均布加載效果變化不大，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)載荷集中區(qū)域加載墊厚度超過50mm。

根據(jù)上述4項(xiàng)分析結(jié)果，綜合考慮工程實(shí)用性、實(shí)施成本等因素，已知單個(gè)加載區(qū)域的載荷分布情況，可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的多層級(jí)耦合傳載彈性體結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)，并基于復(fù)雜機(jī)構(gòu)自由度分配技術(shù)設(shè)計(jì)一套輕質(zhì)的專用杠桿系統(tǒng)[15]，保證每個(gè)離散塊上的集中力符合載荷總體分布，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)大面積連續(xù)壓向載荷施加。特別說明的是，為了解決壓載穩(wěn)定性和變形適應(yīng)性問題，必須盡可能降低杠桿系統(tǒng)的總體高度，以及釋放杠桿連接部位多余自由度。結(jié)構(gòu)各參數(shù)確定后，通過算例計(jì)算得到承力結(jié)構(gòu)接觸面壓力分布曲線分布情況，如圖7、圖8所示。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

研究成果已應(yīng)用某型水上飛機(jī)全機(jī)著水情況靜強(qiáng)度試驗(yàn)，該試驗(yàn)需要在機(jī)身V形船體結(jié)構(gòu)施加大面積連續(xù)壓向載荷模擬著水載荷，水載荷按線性分布函數(shù)給出。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9所示。由于飛機(jī)著水時(shí)的過載導(dǎo)致水載荷量級(jí)很大，水載荷作用面積很大，給加載裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施帶來了很多工程實(shí)踐方面的難題。

試驗(yàn)前在加載區(qū)域內(nèi)部關(guān)鍵部位粘貼了應(yīng)變片，試驗(yàn)過程中載荷以5%為一級(jí)逐級(jí)加載到限制載荷，同步采集各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖10所示，各部位測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量值與理論計(jì)算目標(biāo)值基本吻合，應(yīng)變—載荷曲線線性良好，證明本文模擬加載方法能夠?qū)⒅d荷按試驗(yàn)要求施加到船體結(jié)構(gòu)上，加載誤差滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)后對(duì)加載區(qū)域目視檢查未發(fā)現(xiàn)有害殘余變形或破壞，證明了本文模擬加載方法的安全性和可靠性。

4結(jié)論

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中大面積連續(xù)復(fù)雜壓向載荷施加難題，提出了一種多層級(jí)耦合傳載連續(xù)彈性體結(jié)構(gòu)加載技術(shù)，并研制了專用加載裝置，成功應(yīng)用于水上飛機(jī)機(jī)身V形船底結(jié)構(gòu)著水載荷的連續(xù)施加。通過分析，得到以下結(jié)論：

（1）多層級(jí)耦合傳載彈性體結(jié)構(gòu)加載技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)中離散點(diǎn)集中力向連續(xù)分布?jí)毫d荷的轉(zhuǎn)變，更加真實(shí)地模擬了飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際受到的壓向分布載荷，試驗(yàn)時(shí)不用考慮結(jié)構(gòu)局部承載能力。

（2）多層級(jí)耦合傳載彈性體加載墊設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，僅針對(duì)工程實(shí)踐中的幾項(xiàng)主要因素進(jìn)行了分析；后續(xù)仍需繼續(xù)研究聚氨酯不同硬度和不同彈性體對(duì)分布?jí)毫B續(xù)加載耦合效應(yīng)的影響。

（3）基于復(fù)雜機(jī)構(gòu)自由度分配技術(shù)的多級(jí)杠桿系統(tǒng)提高了試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，且不限制結(jié)構(gòu)變形。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

王海（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

Tel：029-81665369

E-mail：wh050025@163.com

杜峰（1980-）男，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

Tel：029-81665338

E-mail：59642972@qq.com

杜星（1986-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

Tel：029-81665373

E-mail：717995915@qq.com

何月洲（1980-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：飛

機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

Tel：029-81665354

E-mail：heyuezhou2018@163.com

Research on Large Area Continuous Compression Load Simulation Technology

Wang Hai*，Du Feng，Du Xing，He Yuezhou

Aviation Technology Key Laboratory of Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Test，Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： It is a kind of main load form of large area continuous compression load in aircraft structure static and fatigue test. At present， the mature loading methods at home and abroad are mainly simulated by a limited number of discrete node concentrated forces， and compression loads are usually converted into tension loads as much as possible， which could avoid considering the local strength of the structure， the adaptability of deformation and the compressive stability of the test device. In order to simulate the distribution characteristics of large area continuous compression load more truly， this paper proposes a multi-level coupling load transfer loading scheme， and a special loading device is designed， which has been successfully applied to the structure strength test of an aircraft. The loading process of tests is stable and reliable， and the test data are in good agreement with theoretical calculation results.

Key Words： complex distributed pressure； polyurethane； elastic coupled load transmission； continuous loading； structure strength test