全尺寸機(jī)身筒段靜力試驗(yàn)組合承載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 瓊，王孟孟，王 彬，劉 瑋

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

承/加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗(yàn)中一項(xiàng)重要且難度較大的工作，近年來，一體化框架逐漸成為全機(jī)靜力/疲勞試驗(yàn)中主要的承載系統(tǒng)[1-6]。郭俊毫[5]提出了一種基于多因素耦合的疲勞試驗(yàn)加載框架設(shè)計(jì)方法，建立了框架設(shè)計(jì)流程圖，完成了新型飛機(jī)疲勞試驗(yàn)框架設(shè)計(jì)。任鵬[6]設(shè)計(jì)了一套功能組合式加載框架，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件支持、襟/縫翼結(jié)構(gòu)隨動加載、機(jī)翼結(jié)構(gòu)加載、試驗(yàn)件扣重等多個功能目標(biāo)。

一體化承載框架可以滿足試驗(yàn)各種加載設(shè)備的布置需求，還能確保試驗(yàn)現(xiàn)場整潔、規(guī)范。作為試驗(yàn)大型專用設(shè)備，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時間長，成本消耗大。本文根據(jù)試驗(yàn)需求，提出了一種專/通用設(shè)備混合使用的框架-立柱組合承載系統(tǒng)方案，具備一體化框架、平臺的便捷優(yōu)點(diǎn)，又可以充分利用現(xiàn)有設(shè)備，縮短試驗(yàn)準(zhǔn)備周期，降低試驗(yàn)成本。

2 承載系統(tǒng)組成

全尺寸機(jī)身筒段包含復(fù)合材料考核段(19個框段)、前復(fù)合材料過渡段(2個框段)及后復(fù)合材料過渡段(3個框段)等結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件直徑超過6m，長度16m。試驗(yàn)載荷包含前后端邊界載荷和部件本部載荷，試驗(yàn)承載系統(tǒng)必須具備施加所有載荷的能力，同時為試驗(yàn)測控設(shè)備、液壓油路、試驗(yàn)巡檢等提供便利。

圖1 組合式承載系統(tǒng)照片

考慮到試驗(yàn)準(zhǔn)備周期和試驗(yàn)成本，采用分功能組合式規(guī)劃設(shè)計(jì)，實(shí)物照片見圖1。依據(jù)試驗(yàn)件本體載荷和試驗(yàn)功能要求，設(shè)計(jì)專用一體化框架-檢查平臺；專用可移動平臺和通用立柱組合實(shí)現(xiàn)前端邊界載荷施加和試驗(yàn)件內(nèi)部工作和檢查；設(shè)計(jì)專用加載桁架梁，與通用立柱優(yōu)化組合為后端承載分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中后端邊界復(fù)雜大載荷的施加。

2.1 一體化承載框架及檢查平臺

試驗(yàn)件本體結(jié)構(gòu)采用一體化框架和檢查平臺，高14m、長13m、寬11m(如圖2所示)，具備承載能力及試驗(yàn)相關(guān)功能特點(diǎn)：

(1)每一層設(shè)置了相應(yīng)的檢查平臺，便于作業(yè)人員的操作和試驗(yàn)中檢查，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件所有結(jié)構(gòu)可達(dá)，檢查無死角；

(2)搭建了專用扣重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)重量和設(shè)備重量的一體化扣重；

(3)試驗(yàn)件側(cè)向載荷承載點(diǎn)在整體框架主立柱上，結(jié)構(gòu)簡約整齊、節(jié)約成本；

(4)增設(shè)采集柜及電源車等設(shè)備集成擺放臺，實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及各類監(jiān)測設(shè)備等的擺放、固定及走線標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

圖2 一體化框架及檢查平臺示意圖

2.2 前端蓋承載分系統(tǒng)

為確保結(jié)構(gòu)考核段承載真實(shí)、考核準(zhǔn)確，必須準(zhǔn)確將本體結(jié)構(gòu)外的慣性載荷、氣動載荷及客/貨艙地板慣性載荷都準(zhǔn)確傳遞至考核段。試驗(yàn)中，通過將過渡段外載荷累計(jì)到前后過渡段端面，等效為6自由度集中載荷。在前后端蓋設(shè)置專用加載接頭，通過分布載荷—集中載荷—分布載荷的轉(zhuǎn)換方式在過渡段端面等效施加試驗(yàn)載荷。前端蓋承載分系統(tǒng)如所圖3所示，作業(yè)平臺和樓梯組成了移動工作平臺，為端部作業(yè)和艙內(nèi)作業(yè)及檢查提供了平臺和通道。通用立柱具備承載能力，4個立柱實(shí)現(xiàn)了8個加載點(diǎn)載荷施加。前端蓋加載點(diǎn)如圖4所示。

圖3 前端蓋承載分系統(tǒng)

圖4 前端蓋加載點(diǎn)示意圖

2.3 后端蓋承載分系統(tǒng)

以往同類試驗(yàn)中，試驗(yàn)件的大載荷端都是通過通用承力墻或設(shè)計(jì)專用墻實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件大載荷復(fù)雜邊界模擬[6]，無法直接測得邊界載荷大小。同前端等效施加方法，在后端蓋設(shè)置主動加載點(diǎn)模擬試驗(yàn)件載荷和位移邊界，可以直接將理論載荷準(zhǔn)確施加，相比承力墻被動約束，試驗(yàn)件邊界載荷施加更精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)考核更精確。

后端蓋10個航向集中加載接頭完成約47t航向載荷及1200t·m的彎矩施加，緊張的試驗(yàn)周期和大量級載荷給承載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。充分利用現(xiàn)有通用承載設(shè)備，選用9m和12m承載立柱，通過嘗試不同的組合方式，確定了如圖5所示的最優(yōu)承載系統(tǒng)方案。9m立柱和4.5m加載橫梁組成內(nèi)圈承載結(jié)構(gòu)，12m立柱和專用桁架梁組成外圈承載結(jié)構(gòu)，附加航向約束功能。

圖5 后端蓋承載分系統(tǒng)

3 后端蓋承載系統(tǒng)強(qiáng)度分析

后端蓋試驗(yàn)載荷復(fù)雜、量級大、加載空間有限，為確保試驗(yàn)順利安全開展，對承載系統(tǒng)每一種組合方案進(jìn)行三維協(xié)調(diào)，根據(jù)實(shí)際載荷分布對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。采用有限元計(jì)算各立柱在試驗(yàn)載荷下的應(yīng)力，確認(rèn)使用的安全系數(shù)。依據(jù)實(shí)際使用情況，立柱和地軌的固定點(diǎn)采用局部面固支約束，約束6個自由度，選用線性四面單元，經(jīng)過收斂計(jì)算，單元邊長選擇25mm。

3.1 后端蓋內(nèi)圈航向加載

加載結(jié)構(gòu)由Q345制造的9m加載立柱，搭載4.5m通用加載橫梁組成，左右對稱。立柱為試驗(yàn)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，最大載荷及承載位置見表1，承載形式簡化如圖6所示。

表1 后端蓋內(nèi)圈航向加載點(diǎn)

圖6 后端蓋內(nèi)圈航向加載

有限元計(jì)算結(jié)果見圖7，最大應(yīng)力131MPa，出現(xiàn)在立柱最底端處，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，安全系數(shù)為2.63；此處均布的平均應(yīng)力75MPa，安全系數(shù)4.6。斜撐桿頂端有應(yīng)力集中(122MPa)，安全系數(shù)為2.83；此處均布應(yīng)力82MPa，安全系數(shù)4.2。F2加載處的應(yīng)力為90MPa，安全系數(shù)為3.8。

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖

3.2 后端蓋外圈航向加載

加載結(jié)構(gòu)由Q345制造的12m通用加載立柱，搭載專用桁架梁組成，左右對稱。最大載荷情況見表2，12m立柱最大承載能力為20t，安全系數(shù)為4。為了增加結(jié)構(gòu)承載能力，在立柱頂端施加減載載荷Fj；中間航向載荷最大62t，設(shè)計(jì)專用桁架承載梁，如圖8所示；配備專用承載底座，可以安裝不同型號作動器。立柱為試驗(yàn)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，簡化后受載如圖9所示。

表2 后端蓋外圈航向加載點(diǎn)

圖8 專用加載桁架梁

圖9 后端蓋外圈航向加載

有限元計(jì)算結(jié)果見圖10。最大應(yīng)力276MPa，出現(xiàn)在F4加載處，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，安全系數(shù)為1.25；F3和F4加載處梁翼緣應(yīng)力較大，均在175MPa以上，安全系數(shù)小于2；立柱最底端處均布應(yīng)力分布105MPa，安全系數(shù)3.3；斜撐上端部處均布應(yīng)力180MPa，安全系數(shù)1.9；斜撐低端應(yīng)力集中明顯(223MPa)，安全系數(shù)1.6。

3.3 小 結(jié)

根據(jù)有限元分析結(jié)果，內(nèi)圈加載可選用9m承載立柱。若內(nèi)圈選用12m承載立柱，在均布應(yīng)力安全系數(shù)小于2.5的結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)后使用，如圖11所示。加強(qiáng)后在危險(xiǎn)部位粘貼應(yīng)變片，試驗(yàn)中實(shí)時監(jiān)測應(yīng)變情況。實(shí)測結(jié)果表明，有限元計(jì)算結(jié)果參考意義重大，提前化解了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)后的試驗(yàn)承載系統(tǒng)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)需求。

圖11 結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)照片

4 結(jié) 論

根據(jù)全尺寸復(fù)合材料筒段靜力試驗(yàn)的試驗(yàn)周期和載荷施加需求，設(shè)計(jì)了專用框架平臺和通用立柱組合的混合承載系統(tǒng)。針對后端復(fù)雜載荷邊界條件設(shè)計(jì)了主動加載分系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)專用加載桁架梁，采用有限元分析承載立柱強(qiáng)度，以此為依據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該承載系統(tǒng)功能和強(qiáng)度滿足試驗(yàn)需求，專/通用設(shè)備混合方案節(jié)約了試驗(yàn)準(zhǔn)備時間和試驗(yàn)成本，為后續(xù)類似試驗(yàn)承載系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。