飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析及相關(guān)技術(shù)研究

何月洲，嚴(yán) 沖

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

在全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，對(duì)于空間密閉、載荷均布、有氣密要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)多采用充壓加載方式進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，如座艙、進(jìn)氣道、油箱、機(jī)體增壓倉結(jié)構(gòu)等[1]。與通過液壓作動(dòng)器施加的外部載荷不同，在充壓試驗(yàn)中，由于高壓力或大空間壓縮氣體蘊(yùn)含較大的能量，試驗(yàn)件在高載破壞時(shí)瞬間釋放的能量會(huì)帶來極大的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。圖1為某飛機(jī)試驗(yàn)件充壓試驗(yàn)破壞情況。此外，充壓試驗(yàn)的控制及配載設(shè)計(jì)、試驗(yàn)件氣密性要求較高，因此，充壓試驗(yàn)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中風(fēng)險(xiǎn)高、難度大的試驗(yàn)項(xiàng)目之一。

圖1 某飛機(jī)試驗(yàn)件充壓試驗(yàn)破壞照片

本文通過對(duì)充壓試驗(yàn)的各項(xiàng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，對(duì)目前充壓試驗(yàn)中所采用的降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方案進(jìn)行總結(jié)整理，提出了多種有效技術(shù)方案，可有效地保證當(dāng)前試驗(yàn)技術(shù)要求下充壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

2 充壓試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)分析

充壓試驗(yàn)由于其加載形式的特點(diǎn)、設(shè)備性能及誤差要求、載荷處理及配載設(shè)計(jì)、對(duì)試驗(yàn)件的氣密要求等原因，存在多項(xiàng)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 高能壓縮氣體的風(fēng)險(xiǎn)

充壓試驗(yàn)氣體能量滿足理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT。在緩慢充壓過程中，氣體溫度T可認(rèn)為不變，充壓氣體能量變化即為外界對(duì)氣體做功W=pV。充壓試驗(yàn)中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形引起的氣體體積變化可以忽略不計(jì)，充壓氣體增加的能量ΔQ=ΔpV，Δp為試驗(yàn)充壓載荷值，V為充壓結(jié)構(gòu)體積。取某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)充壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得充壓過程中氣體蓄能ΔQ=1.7×107J，相當(dāng)于4kg的TNT爆炸釋放的能量。充壓高載試驗(yàn)中，如果試驗(yàn)件發(fā)生破壞，氣體能量會(huì)在瞬間釋放，造成的危害及試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)極大[2]。

2.2 充壓試驗(yàn)超差保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，控制系統(tǒng)會(huì)設(shè)定超差保護(hù)，設(shè)置EDⅠ和EDⅡ兩個(gè)超差保護(hù)限。EDⅠ設(shè)為3%FS(量程值)，超差延時(shí)2s，系統(tǒng)報(bào)警；EDⅡ設(shè)為5%FS，超差延時(shí)2s，系統(tǒng)卸載，見圖2。該超差保護(hù)設(shè)置數(shù)據(jù)依據(jù)試驗(yàn)要求及液壓加載系統(tǒng)性能設(shè)置，在小空間充壓試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)氣密性、充壓設(shè)備與液壓設(shè)備控制性能差異等原因，過充現(xiàn)象易引起超差保護(hù)，造成試驗(yàn)失敗[3]。

圖2 加載控制系統(tǒng)保護(hù)措施示意圖

2.3 結(jié)構(gòu)氣密性風(fēng)險(xiǎn)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)件為專用的靜力試驗(yàn)機(jī)，各結(jié)構(gòu)的氣密、水密與真實(shí)飛機(jī)存在一定的差距，在充壓試驗(yàn)中易發(fā)生漏氣、漏水現(xiàn)象。在高載試驗(yàn)時(shí)，由于充壓壓力值較大，漏氣現(xiàn)象更為明顯，極端狀況下甚至可能出現(xiàn)漏氣量與充氣臺(tái)充氣量接近的情況，導(dǎo)致載荷難以繼續(xù)施加，造成試驗(yàn)失敗。該類現(xiàn)象多發(fā)于飛機(jī)進(jìn)氣道、座艙充壓試驗(yàn)。此外，在進(jìn)氣道負(fù)壓試驗(yàn)中，也曾發(fā)生密封不足部位的進(jìn)氣量與負(fù)壓充氣臺(tái)抽氣量相當(dāng)、導(dǎo)致負(fù)壓加載失敗的情況。

3 降低充壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方案

針對(duì)上述試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充壓試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐中，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)、控制及實(shí)施多個(gè)方面通過多項(xiàng)技術(shù)方案，提高了加載控制精度，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，保證試驗(yàn)質(zhì)量和安全。

3.1 降低高能壓縮充壓氣體能量

充壓氣體的能量是造成試驗(yàn)件過度破壞及試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的根源。為降低充壓氣體能量，可從充壓值和充壓體積兩方面進(jìn)行研究。

降低充壓值可采取配載設(shè)計(jì)方案。如對(duì)于座艙類結(jié)構(gòu)，可在外部施加輻射載荷降低內(nèi)部壓力；對(duì)于油箱結(jié)構(gòu)，可在外部施加壓載抵消內(nèi)部壓力等。外部配載設(shè)計(jì)，根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)外形及配載載荷分布確定載荷處理方案，并根據(jù)載荷處理結(jié)果誤差對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，直至誤差滿足試驗(yàn)要求，具體流程見圖3。按照上述流程設(shè)計(jì)的某型飛機(jī)輻射型外部配載見圖4。對(duì)于外表面構(gòu)型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，根據(jù)三維模型進(jìn)行配載夾具設(shè)計(jì)，使夾具較好地匹配結(jié)構(gòu)外形，提高配載精度，圖5所示為某型飛機(jī)的油箱外壁配載夾具設(shè)計(jì)。

圖3 輻射型外部配載設(shè)計(jì)流程

圖4 某型飛機(jī)輻射型外部配載三維設(shè)計(jì)

圖5 某型飛機(jī)的油箱外壁配載夾具設(shè)計(jì)

降低充壓體積可采用對(duì)充壓空間進(jìn)行預(yù)先填充的技術(shù)手段來降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)充壓結(jié)構(gòu)是否為常封閉狀態(tài)，填充方式分為泡沫填充和注水填充[4]。泡沫填充用于機(jī)身、座艙、進(jìn)氣道等可開啟結(jié)構(gòu)，在封閉或試驗(yàn)前對(duì)其內(nèi)部空間進(jìn)行填充。注水填充用于油箱等試驗(yàn)件，出廠前即完成結(jié)構(gòu)封閉的空間填充，通過在油箱上預(yù)設(shè)專用接頭實(shí)現(xiàn)充水填充。

3.2 三閥聯(lián)動(dòng)充壓試驗(yàn)保護(hù)技術(shù)

針對(duì)小空間充壓試驗(yàn)易發(fā)生超差保護(hù)的問題，采用儲(chǔ)氣罐連接于充氣臺(tái)及充壓試驗(yàn)件之間，起穩(wěn)壓作用。同時(shí)，為了防止試驗(yàn)件高載破壞時(shí)儲(chǔ)氣罐氣源對(duì)試驗(yàn)件造成二次破壞，提出了三閥聯(lián)動(dòng)充壓試驗(yàn)保護(hù)技術(shù)，其具體實(shí)施方式為：在起穩(wěn)壓作用的儲(chǔ)氣罐上安裝氣動(dòng)蝶閥，保持常閉狀態(tài)，在儲(chǔ)氣罐與試驗(yàn)件之間安裝氣動(dòng)蝶閥，保持常開狀態(tài)，同時(shí)通過連接三通，安裝氣動(dòng)蝶閥，保持常閉狀態(tài)。在充壓情況下，儲(chǔ)氣罐與座艙間氣動(dòng)蝶閥為常開狀態(tài)，其余兩個(gè)氣動(dòng)蝶閥為常閉狀態(tài)，試驗(yàn)正常充壓，如圖6所示。當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急卸壓情況時(shí)，常開狀態(tài)氣動(dòng)蝶閥更改為關(guān)閉狀態(tài)，斷開儲(chǔ)氣罐及試驗(yàn)件之間的連接，及時(shí)停止充壓，兩個(gè)常閉狀態(tài)氣動(dòng)蝶閥更改為打開狀態(tài)，分別使得儲(chǔ)氣罐及試驗(yàn)件能夠及時(shí)排氣，保證試驗(yàn)安全，如圖7所示[5]。

圖6 充壓情況下三閥聯(lián)動(dòng)工作示意圖

3.3 精細(xì)化結(jié)構(gòu)氣密處理

為了提高充壓結(jié)構(gòu)的氣密性，結(jié)構(gòu)氣密處理可分三個(gè)

圖7 卸壓情況下三閥聯(lián)動(dòng)工作示意圖

步驟：

(1)試驗(yàn)件出廠前內(nèi)部氣密處理。在試驗(yàn)件部裝過程中對(duì)結(jié)構(gòu)接縫處、鉚釘處、測量線纜出口等易漏氣的部位進(jìn)行氣密處理，并在試驗(yàn)件部裝完成后按照相關(guān)技術(shù)文件要求做氣密檢查(氣密檢查壓力小于試驗(yàn)壓力值)，合格后方可出廠。

(2)充壓試驗(yàn)前進(jìn)行外部氣密處理。在充壓試驗(yàn)前，進(jìn)行結(jié)構(gòu)封閉工作，如進(jìn)氣道堵板安裝等，并對(duì)充壓結(jié)構(gòu)外部對(duì)縫及鉚釘?shù)炔课贿M(jìn)行外部氣密處理。

(3)試驗(yàn)調(diào)試過程中的氣密處理。由于試驗(yàn)載荷遠(yuǎn)高于氣密檢查載荷值，前期通過氣密檢查的結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中可能發(fā)生明顯漏氣現(xiàn)象，需對(duì)漏氣部位進(jìn)行定位及二次氣密處理，如圖8所示。

圖8 飛機(jī)結(jié)構(gòu)二次密封示意圖

通過上述氣密處理步驟，可以有效減少漏氣現(xiàn)象的發(fā)生，降低氣密原因造成試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，保證充壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度充壓試驗(yàn)具有較高的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，主要來源于試驗(yàn)自身性質(zhì)、控制及設(shè)計(jì)難度大以及對(duì)試驗(yàn)件要求高等因素。針對(duì)充壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方案包括充壓氣體降能、三閥聯(lián)動(dòng)保護(hù)技術(shù)、相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)及氣密處理等，通過上述技術(shù)方案的結(jié)合應(yīng)用，可有效保證充壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行。以上技術(shù)方案在多個(gè)型號(hào)試驗(yàn)中得到了成功應(yīng)用。隨著新研飛機(jī)采用更多新材料及新構(gòu)型的發(fā)展趨勢，充壓試驗(yàn)技術(shù)在試驗(yàn)設(shè)備、控制、設(shè)計(jì)及實(shí)施等方面仍需提高，以滿足新的試驗(yàn)需求。