航空發(fā)動機(jī)多元拉桿結(jié)構(gòu)載荷標(biāo)定試驗(yàn)技術(shù)

田常棵，蘇 軍，王培元，安中彥，吳法勇，項(xiàng)鈞清

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015)

在航空領(lǐng)域中，安裝系統(tǒng)是指將航空發(fā)動機(jī)安裝在飛機(jī)上所需的機(jī)械構(gòu)件系統(tǒng)，其功能是將發(fā)動機(jī)推力和各種附加載荷傳遞給飛機(jī)，保證發(fā)動機(jī)在整個飛行包線內(nèi)能夠可靠定位、安全連接。發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)承載大、工況狀態(tài)多，對安裝系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的受力狀態(tài)測量是保證其工作安全及發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)確認(rèn)的重要措施，而拉桿結(jié)構(gòu)是發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)中常用的受力構(gòu)件，對其進(jìn)行實(shí)際工作時的受力狀態(tài)測量是保證其安全工作的重要措施。

本文研究了基于多元承載設(shè)計(jì)的航空發(fā)動機(jī)多元結(jié)構(gòu)拉桿試驗(yàn)件的載荷標(biāo)定試驗(yàn)技術(shù)，其應(yīng)變測量位置與承受載荷的應(yīng)變-載荷曲線呈現(xiàn)出線性段與非線性段結(jié)合的曲線特征。為提高其載荷標(biāo)定精度，分別研究了應(yīng)變片粘貼位置、應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、加載位置偏移及裝配扭矩對載荷標(biāo)定精度的影響，從而確定更好的載荷標(biāo)定測量方案。

1 多元拉桿結(jié)構(gòu)載荷標(biāo)定試驗(yàn)方法

1.1 載荷標(biāo)定試驗(yàn)方案

如圖1所示，某型航空發(fā)動機(jī)輔助安裝節(jié)多元拉桿結(jié)構(gòu)由2個側(cè)拉桿、1個中間拉桿、2個連接銷及其擰緊螺母組成，其單耳側(cè)及雙耳側(cè)的兩端與關(guān)節(jié)軸承相連，因此多元拉桿結(jié)構(gòu)在工作中為二力桿受力結(jié)構(gòu)，僅需對其進(jìn)行拉壓載荷的標(biāo)定，本文僅就其在承受拉伸載荷時進(jìn)行討論。

圖1 多元拉桿結(jié)構(gòu)及載荷標(biāo)定試驗(yàn)方案圖

為了確定合適的應(yīng)變片粘貼位置，使用ABAQUS有限元軟件分析了多元拉桿結(jié)構(gòu)在拉伸載荷方向上的應(yīng)變云圖(拉伸載荷為80 kN，螺栓預(yù)緊力為2 000 N)，如圖2a所示。根據(jù)應(yīng)變云圖分析，多元拉桿結(jié)構(gòu)的單耳側(cè)及雙耳側(cè)具有較大的應(yīng)變值，適合載荷標(biāo)定，應(yīng)變片粘貼位置及編號如圖1深色短線所示。通過有限元軟件分析了應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變-載荷曲線，此應(yīng)變-載荷曲線為非線性曲線，如圖2b所示。

圖2 有限元應(yīng)變云圖及應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3個拉桿之間的非線性接觸是造成應(yīng)變片粘貼處應(yīng)變-載荷曲線非線性的重要原因，中間拉桿雙耳側(cè)承受載荷比例隨加載載荷變化的曲線如圖3所示。從圖3可知，其承受載荷比例隨試驗(yàn)載荷的增加而增大，這是由于側(cè)拉桿受拉向載荷作用時，其變形趨勢為在長度上變長、在厚度上變薄(如圖4所示)，其變形趨勢導(dǎo)致隨著試驗(yàn)載荷的增加，側(cè)拉桿在斜接觸面上對中間拉桿的接觸力越來越大，造成中間拉桿承受了更大比例的拉向載荷，并在應(yīng)變上反映出其隨載荷非線性變化的特征。

圖3 中間拉桿雙耳側(cè)承受載荷比例隨載荷變化曲線

圖4 側(cè)拉桿受拉向載荷作用時變形趨勢圖

1.2 拉桿結(jié)構(gòu)典型應(yīng)變-載荷曲線

通過有限元分析及考慮應(yīng)變片布局，結(jié)合工程使用的方便性(可將應(yīng)變片串聯(lián)，直接測量其應(yīng)變和)，可使用多元拉桿結(jié)構(gòu)的單耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和(1-6、2-6應(yīng)變片之和，數(shù)值意義為其平均應(yīng)變值的3倍)、雙耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和(1-2、1-3、2-2、2-3應(yīng)變片之和，數(shù)值意義為其平均應(yīng)變值的4倍)、單耳側(cè)應(yīng)變片和(1-5～1-7、2-5～2-7應(yīng)變片之和，數(shù)值意義為其平均應(yīng)變值的6倍)或雙耳側(cè)應(yīng)變片和(1-1～1-4、2-1～2-4應(yīng)變片之和，數(shù)值意義為其平均應(yīng)變值的8倍)共4種應(yīng)變片組合測試方案作為載荷標(biāo)定的應(yīng)變值，多元拉桿結(jié)構(gòu)載荷標(biāo)定的典型應(yīng)變-載荷曲線如圖5所示。從圖5可知，相較于將曲線整體擬合為二次多項(xiàng)式，將曲線作為2段分段函數(shù)進(jìn)行擬合的效果更好，即在0～30 kN呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢，可采用二次多項(xiàng)式擬合，在30～80 kN為線性變化趨勢，可采用線性擬合。

圖5 拉桿結(jié)構(gòu)典型應(yīng)變-載荷曲線

2 載荷標(biāo)定影響因素分析

由于拉桿為多元結(jié)構(gòu)組合件，具有非線性接觸的特點(diǎn)，根據(jù)其載荷標(biāo)定或?qū)嶋H使用狀態(tài)，分析了多次加載中應(yīng)變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、加載位置偏移及連接銷擰緊力矩對載荷標(biāo)定應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響；同時，也分析了這些因素對4種應(yīng)變片組合測試方案的影響，以找到其中最好的應(yīng)變片組合測試方案。

2.1 多次加載中應(yīng)變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析

能否將應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)用于試驗(yàn)中的載荷測試，需考慮多次加載過程中應(yīng)變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性問題，以及擬合曲線計(jì)算出的應(yīng)變值與試驗(yàn)測得應(yīng)變值的精度問題。

連接銷擰緊力矩為20 N·m時，試驗(yàn)載荷加載到80 kN并卸載后的殘余應(yīng)變變化圖如圖6所示。首次加載并卸載后，應(yīng)變片有較大的卸載殘余應(yīng)變，繼續(xù)進(jìn)行3次加載試驗(yàn)，加載后卸載的殘余應(yīng)變很小，可忽略殘余應(yīng)變的影響。

圖6 殘余應(yīng)變隨加載次數(shù)變化圖

在連接銷擰緊力矩為40 N·m時，對第2次載荷加載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變-載荷曲線擬合，并將此擬合曲線作為基準(zhǔn)，計(jì)算第2～4次載荷加載時試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線的偏差，以分析此擬合曲線的精度及第2～4次載荷加載時應(yīng)變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線偏差統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。由圖7可以看出，4種應(yīng)變片組合測試方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線偏差在±2.5%以內(nèi)，當(dāng)載荷大于30 kN時，采用4種應(yīng)變片組合測試方案進(jìn)行曲線擬合時具有較高的精度；同時發(fā)現(xiàn)，單耳側(cè)應(yīng)變片和擬合曲線計(jì)算出的應(yīng)變值與試驗(yàn)測得應(yīng)變值的偏差均在±1%以內(nèi)，因此采用單耳側(cè)應(yīng)變片和作為載荷標(biāo)定應(yīng)變值時，其全部載荷區(qū)間范圍內(nèi)均具有較高的精度。同時可以看出，對第3次、第4次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用第2次載荷加載的擬合曲線進(jìn)行載荷標(biāo)定時，其偏差無較大變化，說明后續(xù)加載應(yīng)變數(shù)據(jù)具有很好的穩(wěn)定性，因此可將首次加載作為預(yù)加載后，使用后續(xù)應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)曲線擬合，用于試驗(yàn)中的載荷測試。

圖7 第2～4次加載時試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線偏差統(tǒng)計(jì)圖

2.2 加載位置偏移對載荷標(biāo)定的影響

由于多元拉桿結(jié)構(gòu)的載荷標(biāo)定試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)相較于其實(shí)際連接結(jié)構(gòu)有一定差異，尤其是使用的標(biāo)定試驗(yàn)工裝為有安裝間隙的試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)時，容易在載荷標(biāo)定過程中出現(xiàn)加載位置偏移拉桿中面的情況，需分析加載位置偏移拉桿中面對應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)的影響。

表1為連接銷擰緊力矩為40 N·m時，在80 kN載荷下(已預(yù)加載)，以未偏移的應(yīng)變測量值為基準(zhǔn)，拉桿雙耳側(cè)加載中心偏移拉桿中面的位移為2 mm和4 mm時應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)相對于基準(zhǔn)的應(yīng)變偏差統(tǒng)計(jì)表。從表1可以看出，當(dāng)雙耳側(cè)的加載位置偏移拉桿中面時，雙耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和、雙耳側(cè)應(yīng)變和的應(yīng)變結(jié)果偏差較大，達(dá)到了±2%以上；單耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和、單耳側(cè)應(yīng)變和影響較小，在±1%以內(nèi)。從材料力學(xué)上分析，由于雙耳側(cè)應(yīng)變片粘貼位置距離中面較遠(yuǎn)，因此在相同彎矩的影響下，其應(yīng)力、應(yīng)變水平變化更大。從試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)加載位置偏移拉桿中面的情況分析，單耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和、單耳側(cè)應(yīng)變和更適用于應(yīng)變載荷標(biāo)定。

表1 應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)相對于基準(zhǔn)的應(yīng)變值偏差統(tǒng)計(jì)表

2.3 連接銷擰緊力矩對載荷標(biāo)定的影響

多元拉桿結(jié)構(gòu)由2個側(cè)拉桿和1個中間拉桿通過2個連接銷及其擰緊螺母擰緊組成，連接銷附近的受力狀態(tài)會影響多元拉桿整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，螺紋連接緊度受疲勞載荷、溫度變化等因素影響時，連接銷的擰緊力矩容易發(fā)生變化，因此需要分析連接銷擰緊力矩對應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響。

圖8為在80 kN載荷下(已預(yù)加載)，以連接銷擰緊力矩40 N·m為基準(zhǔn)，應(yīng)變值隨連接銷擰緊力矩的變化統(tǒng)計(jì)圖。由圖8看出，單耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和、雙耳側(cè)中間拉桿應(yīng)變和受連接銷擰緊力矩的影響明顯，偏差達(dá)±2%以上；而單耳側(cè)應(yīng)變和、雙耳側(cè)應(yīng)變和受連接銷擰緊力矩的影響較小，偏差為±1%以內(nèi)，受擰緊力矩的影響更小。

圖8 應(yīng)變偏差隨擰緊力矩的變化統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)論

(1)多元拉桿結(jié)構(gòu)載荷標(biāo)定的典型應(yīng)變-載荷曲線為非線性曲線，為提高載荷標(biāo)定精度，可將曲線作為2段分段函數(shù)進(jìn)行擬合；

(2)當(dāng)改變連接銷擰緊力矩首次加載時，應(yīng)變片有較大的卸載殘余應(yīng)變，因此應(yīng)使首次加載作為預(yù)載，后續(xù)加載應(yīng)變數(shù)據(jù)具有很好的穩(wěn)定性，可將后續(xù)應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)作為標(biāo)定載荷的應(yīng)變輸出結(jié)果，用于試驗(yàn)中的載荷測試；

(3)在擬考慮的4種應(yīng)變片組合測試方案中，采用單耳側(cè)應(yīng)變片和作為載荷標(biāo)定應(yīng)變值具有較高的載荷標(biāo)定精度，其擬合曲線計(jì)算出的應(yīng)變值與試驗(yàn)測得應(yīng)變值的偏差在±1%以內(nèi)，其受加載位置偏移及連接銷擰緊力矩的影響的偏差也在±1%以內(nèi)，滿足工程使用要求。