飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷實施譜編制技術(shù)

郭 瓊，夏 峰

（中國飛機強度研究所?全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西?西安?710065）

全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷一般要經(jīng)過載荷簡化處理，變?yōu)樵囼灴墒┘虞d荷，即試驗加載點載荷，再通過計算機程序轉(zhuǎn)化為靜力試驗載荷實施譜（以下簡稱“實施譜”）。試驗加載點載荷是機體坐標(biāo)下的載荷，而實施譜是每個加載點（如作動筒、充氣臺等）載荷-時間歷程。編制實施譜是靜力試驗設(shè)計的最后一項，也是至關(guān)重要的工作，是試驗現(xiàn)場實施的基礎(chǔ)之一。

靜力試驗是一個非標(biāo)準(zhǔn)化工程過程，每個型號甚至同一型號的不同工況，都有不同的加載形式和加載要求。針對這種情況，在以往型號試驗中，需要編制相應(yīng)的實施譜出譜程序，增加了試驗準(zhǔn)備工作量和檢查環(huán)節(jié)，降低了試驗效率，也增大了出錯幾率。

目前，國內(nèi)外對試驗載荷譜的主要研究集中在如何得到飛機結(jié)構(gòu)的飛行載荷[1-4]，即任務(wù)書載荷的確定；對于如何將任務(wù)書載荷轉(zhuǎn)化為試驗實施譜的相關(guān)研究很少。近年來，雖然在載荷簡化處理、實施譜出譜等方面有了一些經(jīng)驗和積累，但大多也是與疲勞試驗相關(guān)[5-6]，對靜力試驗載荷簡化處理、實施譜出譜的通用化、規(guī)范化等方面研究仍有欠缺，試驗效率較低。

本文主要對靜力試驗實施譜出譜的通用化、規(guī)范化等內(nèi)容進行研究。在以往型號經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過總結(jié)、分析，從試驗載荷形式、實施譜載荷、實施譜構(gòu)成等方面入手，提出了靜力試驗實施譜標(biāo)準(zhǔn)化出譜方案，并編制了通用化出譜程序，有效地解決了每個型號都要重新編寫載荷譜程序的問題，大大提高了靜力試驗設(shè)計的效率，已在某型飛機試驗中得到應(yīng)用。

1 試驗載荷及實施譜

1.1 試驗載荷及其施加形式

靜力試驗中載荷施加方法有多種，采用何種加載方法，取決于具體結(jié)構(gòu)形式與部位，以及試驗載荷的種類、性質(zhì)、方向、大小等。目前經(jīng)常用到的加載方法有：膠布帶-杠桿系統(tǒng)、拉壓墊-杠桿系統(tǒng)、卡板系統(tǒng)、氣體充壓系統(tǒng)、液體充壓系統(tǒng)等；主要加載設(shè)備為液壓作動筒、充氣臺及配套設(shè)備等，如圖1所示。在常規(guī)靜力試驗中，大多數(shù)試驗加載點采用的加載設(shè)備為液壓作動筒、充氣臺，通常稱為液壓作動筒加載點、充壓點。

圖1 ??試驗常規(guī)加載形式及配套設(shè)備

液壓作動筒加載點（以下簡稱“加載點”）是將液壓作動筒根據(jù)試驗載荷特點，與不同加載方法結(jié)合組成的加載系統(tǒng)。加載點有多種加載形式：按加載方向分為航向、側(cè)向、垂向加載點，再細分為與機體坐標(biāo)系平行、傾斜加載點；按載荷內(nèi)容分為單獨扣重點（僅加扣重載荷）、單獨加載點（僅加試驗載荷）、復(fù)合加載點（含扣重和試驗載荷）；按連接方式分為硬式連接、軟式連接加載點；按作動筒載荷方向分為單向拉、單向壓、雙向拉壓加載點。充壓點采用了以充氣臺為核心的氣體充壓系統(tǒng)，按照試驗要求，與加載點協(xié)調(diào)加載，在試驗不同階段施加相應(yīng)的氣壓載荷。

本文主要研究作動筒加載點、充壓點這兩類加載點，其余試驗加載點（如采用氣囊系統(tǒng)、液體充壓系統(tǒng)等）可以參照這兩類加載點。

1.2 實施譜載荷及構(gòu)成

實施譜中各加載點載荷通常包括試驗載荷、預(yù)緊力載荷、扣重載荷3個部分，其意義如下：

（1）試驗載荷：機體坐標(biāo)系下各加載點載荷，與飛機坐標(biāo)系相關(guān)，為矢量。

（2）預(yù)緊力載荷：為了消除加載間隙、防止作動筒意外伸出，在試驗加載初始階段，各加載點施加的一個預(yù)張緊載荷，與加載設(shè)備相關(guān)。

（3）扣重載荷：靜力試驗任務(wù)書給出的載荷是結(jié)構(gòu)無重（0 g）狀態(tài)。實際上，試驗前由于加載設(shè)備、測量設(shè)備、假件和試驗件本身具有相當(dāng)大的重量，試驗件已經(jīng)處于一定受力狀態(tài)。為了使結(jié)構(gòu)受力真實，在試驗時應(yīng)扣除上述設(shè)備和結(jié)構(gòu)重量，使飛機處于“0 g”狀態(tài)[7]。需要扣除的重量即為扣重載荷，加載點的扣重載荷與試驗扣重方案相關(guān)，為全機坐標(biāo)系下的矢量值。

在靜力試驗中，通常采用MTS、MOOG加載控制系統(tǒng)，實施譜通常包含Profile、LoadCondition兩個部分：

（1）編制LoadCondition文件，將機體坐標(biāo)系下加載點載荷轉(zhuǎn)化為加載裝置（如作動筒、充氣臺）載荷。按照加載級別，通常按1%/級確定，規(guī)定加載點載荷；

（2）編制Profile文件，按照試驗大綱加載程序要求，調(diào)用LoadCondition文件，規(guī)定加載、測量時間及譜型。

2 試驗實施譜標(biāo)準(zhǔn)化出譜方案

實施譜出譜工作主要是編制LoadCondition文件。由于每項靜力試驗都有不同的特點和要求，加載點、充壓點等有多種加載形式、加載要求和加載步驟，要實現(xiàn)實施譜標(biāo)準(zhǔn)化出譜面臨著以下問題：

（1）坐標(biāo)系一致問題，需要統(tǒng)一不同型號的不同總體坐標(biāo)系，同一型號的總體坐標(biāo)系與加載設(shè)備坐標(biāo)。

（2）扣重載荷與預(yù)緊力載荷施加問題。在試驗加載初始階段，試驗載荷為0，加載點初始載荷為扣重載荷或者預(yù)緊力載荷。隨著加載級數(shù)增大，應(yīng)盡快消除預(yù)緊力的影響，使加載點載荷僅為試驗載荷與扣重載荷的合力。由于扣重載荷、預(yù)緊力載荷大小、方向不盡相同，需要協(xié)調(diào)扣重載荷、預(yù)緊力載荷之間關(guān)系，解決其與試驗載荷疊加的問題。

在以往型號試驗基礎(chǔ)上，對已有的試驗加載形式和實施譜出譜經(jīng)驗進行了歸納整理，總結(jié)其相互關(guān)系和內(nèi)在規(guī)律，并對以后可能出現(xiàn)的加載形式進行研究，提出了可以涵蓋絕大多數(shù)靜力試驗的出譜方案，初步實現(xiàn)了實施譜出譜的標(biāo)準(zhǔn)化。具體方案如下：

（1）采用“垂向、航向、側(cè)向”坐標(biāo)軸形式重新定義全機坐標(biāo)系，解決不同型號不同總體坐標(biāo)系的統(tǒng)一問題。

（2）采用“矢量轉(zhuǎn)標(biāo)量”方式，通過引入總體坐標(biāo)系方向系數(shù)、加載設(shè)備方向系數(shù)、扣重載荷系數(shù)等解決機體坐標(biāo)系與加載設(shè)備坐標(biāo)系的統(tǒng)一問題。

（3）采用“載荷包限”方式，解決試驗載荷、扣重載荷、預(yù)緊力載荷疊加等問題。即：

（4）引入“負扣重”概念，通過調(diào)整扣重載荷合力壓心，解決扣重重心與扣重載荷合力壓心不一致問題，簡化扣重方案，減少扣重點數(shù)量。

下限函數(shù) 確定初始載荷值，在滿足加載點加載能力的基礎(chǔ)上，初始載荷值選取遵循以下原則（以作動筒加載方向拉為正、壓為負為基準(zhǔn)）：

（1）若預(yù)緊力與扣重為同方向，取絕對值較大的作為扣重波段的載荷值；

（2）若預(yù)緊力與扣重反向，取扣重值為扣重波段的載荷值；

（3）滿足扣重波段扣重值的基礎(chǔ)上，保障作動筒加載不出現(xiàn)跳躍；

（4）側(cè)向和航向加載點不參與扣重，扣重波段載荷值以實際的可施加的預(yù)緊力為準(zhǔn)。

上限函數(shù) 取值為試驗載荷與扣重載荷的矢量和。

靜力試驗中的充壓點根據(jù)實際充壓要求，分為4種情況，分別為：

（1）第一次直接充到預(yù)緊力定義的百分數(shù)，第二次直接充到扣重定義的百分數(shù)，第三次直接充到要加載的百分數(shù)；

（2）第一次直接充到預(yù)緊力定義的百分數(shù)，第二次同步充到扣重定義的百分數(shù)，第三次直接充到要加載的百分數(shù)；

（3）同步充到要加載的百分數(shù)；

（4）第一次同步充到預(yù)緊力定義的百分數(shù)，第二次直接充到扣重定義的百分數(shù)，第三次保持。

以上述分析與準(zhǔn)則為依據(jù)，總結(jié)歸納試驗中不同的加載點類型，統(tǒng)計各類加載點載荷譜輸入文件的情況并一一列舉，總計112類，具體見表1。其中，作動筒載荷方向與加載方向作為不同加載點形式的標(biāo)識輸入。作動筒載荷方向：單向拉為1，雙向拉為11，單向壓為-1，雙向壓為-11；加載方向：位控點為0，垂向為1，側(cè)向為2，航向為3，充壓為4、5、6、7，監(jiān)控為8。

表1 ??加載點載荷譜輸入情況分類

3 試驗實施譜標(biāo)準(zhǔn)化出譜程序設(shè)計

將表1中15種類別112類情況整理總結(jié)，梳理流程并通過VC編程實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗的載荷譜輸出，形成標(biāo)準(zhǔn)的試驗實施譜出譜程序。

3.1 輸入文件說明

以表2為例，載荷譜的輸入文件包含以下信息：加載點序號、位置、試驗載荷P，作動筒載荷方向（zdtfx），加載方向（jzfx），扣重K，扣重標(biāo)識k，預(yù)緊力Y，加載百分數(shù)n，載荷級別m，加載點總數(shù)D。加載百分數(shù)n表示載荷譜要加載到的百分數(shù)，載荷級別m為載荷譜輸入文件中載荷P的載荷級別，一般為67%或者100%。程序中用d表示目前正在生成的載荷譜的加載點，i表示當(dāng)前加載百分數(shù)，Pi表示第i級載荷值，Z表示扣重波段的值。對于垂向加載點，載荷P與扣重K方向為向上為正，向下為負；預(yù)緊力方向為作動筒加載方向，即拉為正、壓為負，扣重載荷方向與作動筒加載方向相同時扣重標(biāo)識k為1，否則為-1，其余情況為0。

表2 ??靜力試驗載荷譜輸入文件說明

3.2 流程圖設(shè)計

圖2所示為飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷譜出譜流程圖，其中垂向加載、航向與側(cè)向加載及充壓點的載荷譜出譜主程序流程圖如圖3～5所示。圖3輸入載荷P轉(zhuǎn)化時通過識別作動筒載荷方向符號將載荷方向與作動筒加載方向統(tǒng)一。圖中輸出錯誤信息表示當(dāng)載荷譜輸入文件中預(yù)緊力出現(xiàn)作動筒無法施加的載荷時，屏幕輸出錯誤警告，并直接向下一步執(zhí)行；以單向向上頂點為例，作動筒只能施加壓向載荷，預(yù)緊力不可為正，此時錯誤信息內(nèi)容為：“X#點，正?？壑?，單向向上頂點，預(yù)緊力不能為拉，忽略”。

圖2 ??載荷譜出譜程序總流程圖

圖3 ??垂向加載點載荷譜出譜流程圖

圖4 ??航向與側(cè)向加載點載荷譜出譜流程圖

相比目前靜力試驗中正在使用的載荷譜出譜程序，此程序做出了以下幾點改進：

（1）預(yù)緊力按不同的加載點給出，而不是統(tǒng)一給出，滿足了試驗中不同加載點需要不同預(yù)緊力的要求；

（2）載荷譜輸入文件中載荷與扣重以矢量給出，方便確認試驗中施加載荷與扣重是否平衡合理；

（3）首次引入“負扣重”概念，包括了需要通過撬杠反配重的加載形式；

圖5 ??充壓點載荷譜出譜流程圖

（4）程序具有冗錯功能：當(dāng)載荷譜輸入文件中出現(xiàn)作動筒無法施加的載荷時，程序會自動提示錯誤并在電腦屏幕顯示錯誤信息，接著忽略此輸入向下一步運行。

3.3 試驗應(yīng)用

以表2作為某靜力試驗載荷譜的輸入文件，通過運行程序可以得到試驗實施所需要的載荷譜，見表3。表中Load Condition 5表示載荷級別為5%的載荷，載荷譜輸出的最后一行為初始載荷值，見表3中的Load Condition 151一行。將表1中112種不同的加載點通過上述通用程序一一驗證，結(jié)果證明了此程序的正確性與通用性。

表3 ??試驗實施載荷譜

4 總????結(jié)

本文基于多年的型號試驗經(jīng)驗以及目前所使用的載荷譜出譜程序，介紹了飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷實施譜的構(gòu)成，通過總結(jié)分類列舉了不同加載形式和加載點類型，提出了試驗實施譜標(biāo)準(zhǔn)化出譜方案，完成了通用化出譜程序設(shè)計。已成功應(yīng)用于多個型號試驗中，極大地提高了靜力試驗設(shè)計效率，具有重要參考意義。