基于地板梁系統(tǒng)的民機全尺寸靜力試驗機身載荷處理研究

袁 偉

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

目前主要通過分析和試驗兩種方法研究飛機結構靜強度，而在設計分析過程中遇到的諸多難點及疑問都需要通過試驗進行論證。近年來，鑒于靜力試驗的重要性，其受到日益廣泛的關注。2009年，彭剛[1]對全機靜力試驗的技術方法和試驗誤差分析進行了研究；2011年，李衛(wèi)平等[2]采用整套關于吊掛部段靜力試驗的試驗方案，完成了吊掛的靜強度試驗；2012年，劉金玉等[3]基于VB語言編制程序解決了力矩法逐級配重過程中不斷重復計算等問題；2013年，劉佳[4]提出了一種基于民機靜力試驗的平尾試驗假件的設計思路；2015年，張兆斌等[5]對大型運輸機全機靜力試驗的試驗目標、任務、思路等進行了總結，提出了在試驗過程中應關注的重點問題及解決途徑；2017年，李澤江等[6]對民用飛機應急斷離典型結構設計與試驗進行了研究，并給出了民用飛機應急斷離典型結構設計方法及適航驗證流程。與此同時，隨著眾多結構強度試驗的開展，一系列的加載技術得到廣泛應用，比如雙向加載拉壓墊、起落架隨動加載技術等[7-9]。

在眾多靜力試驗中，全尺寸(全機)靜力試驗擁有的結構完整性、連續(xù)性及試驗邊界條件的真實性等優(yōu)點，都是其他部段試驗無法比擬的。同時，全尺寸靜力試驗的試驗規(guī)模大、考核部位多、加載方式多樣化、靜強度驗證任務繁重等技術難點對試驗各個環(huán)節(jié)的實施提出了極高的要求。隨著全尺寸靜力試驗對加載精度要求的不斷提高，地板梁加載系統(tǒng)在全尺寸靜力試驗中得到極大的重視，該系統(tǒng)不僅可以使試驗機受載狀態(tài)更接近真實情況，而且可以極大地縮短試驗周期。2018年，劉瑋等[10]對比了膠布帶加載系統(tǒng)、單層地板梁加載系統(tǒng)、雙層地板梁加載系統(tǒng)之間的區(qū)別，得出了雙層地板梁加載系統(tǒng)能夠更真實地模擬機身框結構內(nèi)力分布的結論；2019年，鄭建軍等[11]研究了機身雙層雙向地板加載技術，該技術優(yōu)化了機身的設計，提高了局部載荷的加載精度。本文針對某型號民機全尺寸靜力試驗機身所采用的地板梁加載系統(tǒng)，提出一整套基于該系統(tǒng)的機身試驗載荷設計方案，并將該套方案處理的試驗載荷加載到有限元模型上進行計算，同時與強度校核分析態(tài)內(nèi)力結果進行對比，從而論證試驗載荷設計方案的合理性。

1 加載系統(tǒng)簡介

機體在空中及地面承受的載荷主要包含結構慣性載荷、氣動載荷、客載及貨載等等?？洼d和貨載通過客艙及貨艙地板結構傳遞到機殼上，傳統(tǒng)的膠布帶加載方式直接將客貨載荷施加到機身兩側的殼體上，沒有嚴格地遵循載荷真實的傳遞路徑，對傳遞路徑上的結構考核不夠充分。而地板梁加載系統(tǒng)可以解決加載不真實的問題。地板梁加載系統(tǒng)完全搭建于機身內(nèi)部且分別與客艙和貨艙連接，通過在機身上下位置開孔，將一段機身的載荷施加于地板梁系統(tǒng)加載點。采用地板梁系統(tǒng)施加試驗載荷,既可以避免膠布帶加載引起的蒙皮失穩(wěn)問題又可以在客艙地板及貨倉地板上同時施加載荷，符合機身實際受載，同時避免了因生產(chǎn)用于膠布帶加載的杠桿系統(tǒng)而延長試驗周期的問題。地板梁加載系統(tǒng)及其與機身裝配示意圖如圖1所示。

圖1 地板梁系統(tǒng)示意圖

2 機身試驗載荷計算

工程試驗中，由于加載條件的限制，無法做到與有限元計算中節(jié)點載荷加載完全一致。試驗載荷處理過程是把分布載荷等效成集中載荷，施加至加載系統(tǒng)上的過程。整個試驗載荷處理過程主要分為3步：首先，將分布載荷按照“杠桿比”方法(即將兩框之間的分布載荷按照杠桿的形式分配到各個框上)處理成框站位載荷，“杠桿比”原理如圖2所示；其次，按照各個框對應的地板梁加載系統(tǒng)，將框站位載荷合并至地板梁系統(tǒng)加載點上；最后，反算地板梁系統(tǒng)載荷至各個框站位。圖2中坐標系o-xyz為全機坐標系，F(xiàn)y為該坐標系下y方向剪力，F(xiàn)y1和Fy2為框y方向站位剪力。

圖2 “杠桿比”方法示意圖

2.1 計算框站位載荷

本文以某民機已完成的兩點著陸工況靜力試驗為例，闡述框站位載荷計算過程。首先根據(jù)提供的機體分布載荷，依據(jù)“杠桿比”方法將兩框之間3個方向的分布載荷處理至前后框的中心位置。航向載荷處理至框站位時產(chǎn)生附加的側向彎矩和垂向彎矩；垂向載荷處理至框站位產(chǎn)生附加扭矩；側向載荷處理至框站位產(chǎn)生附加扭矩?？蛘疚簧细郊拥母┭隽夭捎们昂罂蛘疚淮瓜蜉d荷進行等效，側向載荷及偏航力矩是一個小量(兩點著陸是一垂向對稱工況)，不影響對飛機的考核，可以忽略或者采用被動加載。最終，框站位載荷包含航向力、垂向力及扭矩，如圖3所示。

圖3 將分布載荷處理成框站位載荷

2.2 計算地板梁系統(tǒng)載荷

根據(jù)各組框對應的地板梁加載系統(tǒng)，將框站位載荷合并至加載點，由于每組地板梁系統(tǒng)加載點(打孔位置)是固定的，即該組框總載壓心位置已定，因此在合并框站位垂向載荷時會產(chǎn)生附加的俯仰力矩。附加力矩通過前后地板梁加載系統(tǒng)加載點的垂向載荷進行等效(挑選配平系統(tǒng)的原則是不跨越機身考核截面)；合并的扭矩由底部兩個加載點配平。最終，得到各組地板梁加載系統(tǒng)載荷，如圖4所示。

圖4 合并框站位載荷得到地板梁加載系統(tǒng)載荷

2.3 計算機頭及后機身載荷

機頭及后機身載荷主要通過粘貼在框兩側的膠布帶施加(內(nèi)部無法布置地板梁系統(tǒng))，將框站位載荷分別分配到框兩側粘貼膠布帶的形心處，平均分配到每塊膠布帶上形成膠布帶載荷。

3 累積載荷對比

在整個試驗載荷處理過程中，將分布載荷等效處理成集中力，通過地板梁加載系統(tǒng)施加到機身上。判斷載荷處理是否合理，主要關注載荷在各個框站位的累積效應。分別在各框站位累積分布載荷與試驗載荷，分析整個載荷處理過程中產(chǎn)生的誤差。累積試驗載荷前需要將各個地板梁系統(tǒng)載荷按照杠桿搭建比例反算到各個框站位上再進行累積，如圖5所示。對于垂向工況而言，主要關注垂向彎矩(Mz)的累積誤差，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)，彎矩的誤差不超過0.5%，整個試驗載荷處理精度滿足要求。

圖5 反算地板梁載荷至框站位

圖6 原始載荷與試驗載荷累積彎矩對比

4 內(nèi)力對比

從內(nèi)載荷角度出發(fā)驗證結構是否得到充分考核，需要關注試驗狀態(tài)下結構考核部位的內(nèi)力分布是否達到該工況下分析態(tài)的內(nèi)力分布水平。以兩點著陸工況為例，該工況在中央翼后梁至中后機身24.944 m處下彎最嚴重，機身彎曲嚴重部位為圖7黑色框內(nèi)部分，此處結構上部承拉下部承壓。在全機有限元模型上施加試驗載荷進行內(nèi)力計算，取機身考核部位典型框位48框處長桁、蒙皮以及龍骨梁的內(nèi)力進行對比，對比結果見表1、表2及表3，可知試驗載荷加載分析結果與強度校核結果基本一致，誤差不超過2%。內(nèi)力對比結果說明整個試驗載荷處理是合理的，對結構強度考核是真實且充分的。

圖7 機身有限元模型

表1 48框長桁內(nèi)力對比

表2 48框蒙皮內(nèi)力對比

(續(xù)表)

表3 龍骨梁內(nèi)力對比

5 結束語

本文針對某民機地板梁加載系統(tǒng)進行研究，得出了基于該系統(tǒng)的大型民用飛機全尺寸靜力試驗機身試驗載荷設計方法，實現(xiàn)了由分布載荷向試驗實施載荷的轉換，同時給出了試驗載荷設計方法合理性的判斷準則。但是，該試驗載荷設計方法只考慮了載荷的累積效應，沒有關注局部載荷變化對結構考核的影響。要設計出更完美的試驗載荷，還需要后續(xù)大量的靜力試驗的支持，以消除局部載荷變化帶來的差異。