浮空器典型連接部件蝴蝶結(jié)拉伸試驗設(shè)計研究

李習(xí)習(xí)

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門448035）

1 概述

浮空器是指密度輕于空氣的飛行器，是系留氣球和飛艇的統(tǒng)稱[1]。它主要依靠裝有輕質(zhì)氣體的囊體在空氣中產(chǎn)生的浮力克服其自身重量以實現(xiàn)留空工作[2]，浮空器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，屬于航空器的范疇，它是人類社會研發(fā)和使用最早的一種飛行器，它的研發(fā)和使用已經(jīng)有160 年左右的歷史。浮空器包含系留氣球和飛艇兩類，系留氣球可在數(shù)千米的高度實現(xiàn)全天候、長時間定點停留，具有安全性好、留空時間長、雷達散射截面小、研制成本低、安全性好、使用效費比高等諸多優(yōu)點。飛艇內(nèi)部一般裝有動力裝置，可以遙控或自動控制下自主飛行[3]，具有續(xù)航時間長、載重量大、使用成本低、使用維護方便、起降場地要求低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，可通過搭載不同的任務(wù)載荷，廣泛應(yīng)用于軍民用領(lǐng)域。

浮空器上一般搭載有任務(wù)設(shè)備，囊體與其他任務(wù)設(shè)備主要是通過系留索具連接，而系留索具與囊體的連接方式主要是以蝴蝶結(jié)的形式，如圖2 所示，故蝴蝶結(jié)承受了較大載荷，對蝴蝶結(jié)開展拉伸強度試驗很有必要。

圖1 浮空器結(jié)構(gòu)

2 試驗過程設(shè)計

2.1 試驗件制備

圖2 典型蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

承力條為蝴蝶結(jié)主要承載結(jié)構(gòu)，承力條的承載能力一定程度上可以反映蝴蝶結(jié)的承載能力，但由于蝴蝶結(jié)是由多根承力條組合而成，單個承力條試驗不能驗證多根承力條組合后的承載能力，因此蝴蝶結(jié)強度試驗應(yīng)選用整體蝴蝶結(jié)作為試驗件進行。

由于蝴蝶結(jié)在浮空器結(jié)構(gòu)中均是熱合粘接在囊體上，即為軟式連接，若試驗時直接將蝴蝶結(jié)固定于剛性的夾具上，則邊界條件模擬缺乏準確性，會嚴重影響試驗結(jié)果的準確性。為準確模擬試驗時蝴蝶結(jié)的邊界條件，將兩種試驗件均設(shè)計成帶有一段過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)形式，即蝴蝶結(jié)試驗件均帶有一定大小的基布。同時由于基布為軟式結(jié)構(gòu)，試驗時要先將基布張緊，其張緊力安照浮空器上真實張緊力進行控制。這樣使得試驗時蝴蝶結(jié)的邊界條件與真實結(jié)構(gòu)更加相近。綜上考慮，蝴蝶結(jié)的試驗件設(shè)計成帶預(yù)應(yīng)力基布的結(jié)構(gòu)形式，如圖3 所示。

2.2 試驗加載方式

試驗加載常用的方式有手拉葫蘆及作動缸。由于典型連接件通常要以恒定速率加載，而手拉葫蘆是手工拉動，難以滿足恒定速度，并且人工操作葫蘆加載，大載荷時加載費力，破壞時有一定安全隱患，需額外配置載荷采集設(shè)備，故蝴蝶結(jié)加載采用作動缸。作動缸加載具有能夠?qū)崿F(xiàn)程序控制，加載速率可調(diào)且精度較高，可自動記錄加載載荷的優(yōu)點。

圖3 蝴蝶結(jié)試驗件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 試驗安裝方式

試驗安裝采用可調(diào)基布式自動張緊試驗平臺，平臺結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。該平臺可以實現(xiàn)蝴蝶結(jié)的自動定量張緊、按要求自動加載并采集。

試驗時將基布四邊插入T 型卡槽中，然后用鋁管穿過基布拉壞內(nèi)將試驗件固定。采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠帶動T 型卡槽對試驗件進行張緊，通過連接在伺服電機前的扭矩傳感器來控制基布張緊力。

圖4 試驗安裝平臺示意圖

2.4 試驗步驟

按照試驗原理圖裝好試驗件，并調(diào)節(jié)四周夾具將試驗件初步張緊，同時調(diào)試好儀表；調(diào)節(jié)張緊力大小，用作動缸以100mm/min 勻速給試驗件加載至破壞，讀取并記錄破壞載荷，觀察并記錄破壞形式。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)闡述了蝴蝶結(jié)拉伸試驗設(shè)計，蝴蝶結(jié)試驗件設(shè)計成帶預(yù)應(yīng)力基布的結(jié)構(gòu)形式，通過可調(diào)基布式張緊平臺安裝試驗件，并采用作動缸進行加載。整個試驗過程高度自動化，且不受場地條件限制，極大提高了典型部件連接試驗的試驗精度與效率。拉伸強度試驗數(shù)據(jù)主要用于為強度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。