某空中運輸包裝箱系留強度試驗研究

■ 潘維靈 吳燕斌

引言

采用空中運輸已成為現(xiàn)代社會最為便利、快捷的運輸方式之一，空中運輸可以大大縮短運輸時間，受外部環(huán)境約束也較小，在產(chǎn)品空中運輸過程中，包裝箱需承受沖擊過載，包裝箱的系留強度影響運輸產(chǎn)品安全性和可靠性[1]。

某運輸類飛機共設(shè)計三種包裝箱，包裝箱系固在貨盤上，與貨盤整體裝載至機艙，系固后進行空運。

三種包裝箱采用相同的系固方式，為考核包裝箱系留強度，確保包裝箱運輸安全性，對其中重量最大的包裝箱進行系留強度靜力試驗研究，對此類運輸包裝箱系留方式及運輸安全性優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

1 包裝箱系留方式

1.1 系留優(yōu)化

包裝箱初步系留方案：包裝箱上布置4 個系留環(huán)，包裝箱通過系留環(huán)直接系留固定在貨盤上，系留鋼索穿過包裝箱上自帶的系留環(huán)與貨盤上周圈系留點連接。

根據(jù)系固能力評估要求，空運時的過載強度按Ⅱ級限動評估。根據(jù)運輸貨物需求，加大航向過載考慮。

經(jīng)有限元計算：

最大系留繩索載荷F為4348.01kg。

單個系留繩索許用最大載荷[F]為2500kg；貨盤系留點最大許用載荷[F]為3300kg。

單個系留繩索的剩余強度：

按照此系留環(huán)布置方案，系留綁帶及貨盤上系留點的強度不夠。

通過分析，對系留方案進行了優(yōu)化：在重心高度以下增加一圈系留環(huán)，如圖1 所示。

圖1 改進后系留方式

1.2 包裝箱系留強度評估

包裝箱通過上下兩排共8 個系留環(huán)，用16 根系留繩索與貨盤系固連接。

建立有限元模型，將包裝箱簡化為實體單元，系留繩索建立成桿元模擬，受壓一側(cè)繩索給一個虛屬性面積為0.01mm2。載荷施加在重心平面處。通過約束系留繩索與貨盤連接處節(jié)點x、y、z 三個方向線位移，模擬繩索與貨盤的連接。通過約束包裝箱底部節(jié)點y 方向線位移，模擬貨盤對包裝箱的支持約束。

包裝箱載荷F 為667028N，改進后有限元模型如圖2。

圖2 改進后有限元模型圖

改進后有限元計算結(jié)果如下：

最大系留繩索載荷F 為2472.5kg。

單個系留繩索許用最大載荷[F]為2500kg；貨盤系留點最大許用載荷[F]為3300kg。

則按式1 計算出單個系留繩索的剩余強度η 為1.01。

1.3 貨盤局部受壓強度評估

包裝箱向下過載時，載荷直接通過貨盤傳遞到飛機地板上。包裝箱底部為一圈法蘭。法蘭與貨盤接觸面積A 為2292.95cm2。貨盤許用壓應(yīng)力[σ]為60kg/cm2，貨盤壓應(yīng)力σ 為3.34kg/cm2。

貨盤的剩余強度：

貨盤局部受壓強度滿足設(shè)計要求。

1.4 包裝箱上系留環(huán)載荷

根據(jù)向前過載有限元計算結(jié)果，取節(jié)點載荷作為系留環(huán)載荷。最大節(jié)點載荷Fx 為-18808.5N，F(xiàn)y為-11752.92N，F(xiàn)z為9936.8N，合力

2 試驗方案

2.1 試驗載荷選取

根據(jù)任務(wù)要求，試驗選取包裝箱系留嚴(yán)重情況（向前過載、側(cè)向過載）進行試驗。

向前過載、側(cè)向過載試驗載荷施加在包裝箱模擬件各方向載荷的加載接頭上，合力力線通過重心處。試驗載荷如表1 所示。

表1 試驗載荷

2.2 加載夾具設(shè)計

試驗件支持狀態(tài)采用試驗夾具來支持，試驗夾具真實模擬貨盤位置約束[2]，用系留鋼索將包裝箱模擬件系留至貨盤上后，對系留鋼索進行預(yù)緊，然后通過8 個限位塊和16 個壓板將貨盤固定至模擬支持夾具上。

2.3 測點布置

通過有限元分析選取受力較大部位進行應(yīng)變測試，共布置6 個單片，4 個花片。系留環(huán)、鋼索接頭結(jié)構(gòu)順結(jié)構(gòu)軸向貼片（單片），花片按逆時針0°、45°、90°方向貼片，0°片平行于X軸或Z 軸。位移測量點共布置2 個。

2.4 試驗方法

2.4.1 加載實施

a）項目1 試驗安裝及加載實施

項目1 的載荷方向為鋼索軸向，受載形式為拉向載荷。將試驗用鋼索通過專用接頭安裝至固定夾具上，固定夾具用地腳螺栓固定至承力地軌上，在承力架上部安裝加載作動器，保證加載作動器加載軸線與鋼索軸向在同一直線上，作動器端部連接調(diào)節(jié)螺套、力傳感器，由作動器收縮來施加載荷。

為規(guī)范學(xué)校教育教學(xué)行為，尊重初中學(xué)生身心成長規(guī)律，減輕學(xué)生過重的課業(yè)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)光趣，學(xué)校建立班主任審核、年級組長把關(guān)、教務(wù)處和主管校長督查的層層審核制度，確保嚴(yán)格執(zhí)行《作業(yè)報備制度》。同時，因?qū)W生個人能力問題無法完成作業(yè)時，只要有家長的簽字，允許“開啟作業(yè)報備綠色通道”，任課教師要對家長的簽字給予認(rèn)可。此項工作做到了宣傳到位、及時記錄，得到了家長們的一致認(rèn)可與好評。

b）項目2 試驗安裝及加載實施

項目2 的載荷方向為Z 軸正向（即側(cè)向過載），受載形式為拉向載荷。將試驗夾具安裝固定至承力地軌上，在包裝箱模擬件加載重心處安裝Z 軸正向加載接頭，然后連接加載螺套、力傳感器、作動器后，由作動器收縮來施加試驗載荷，作動器通過加載梁和作動器固定板固定至承力墻上。

c）項目3 試驗安裝及加載實施

項目3 的載荷方向為X 軸正向（即向前過載），受載形式為拉向載荷。將試驗夾具安裝固定至承力地軌上，在包裝箱模擬件加載重心處安裝X 軸正向加載接頭，然后連接加載螺套、力傳感器、作動器后，由作動器收縮來施加試驗載荷。

2.4.2 測試測量方法

此項試驗測試工作主要包括：應(yīng)變測試和位移測試。

應(yīng)變測試：采用電測法，在測點位置粘貼應(yīng)變片，通過粘貼溫度補償片消除溫度效應(yīng)；

位移測試：采用拉線式位移傳感器法，在各位移測量點處固定位移測量專用裝置并連接拉線式位移傳感器，通過監(jiān)測位移傳感器伸縮量，實現(xiàn)位移測量。

2.4.3 加載系統(tǒng)選取

加載試驗設(shè)備選用MOOG 多通道伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)。此系統(tǒng)為全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，最大閉環(huán)迭代速率2.5kHz。每個控制通道與一個加載執(zhí)行機構(gòu)相連，SMC 處理器以2.5kHz 的頻率運行MOOG 專利力回路模型的迭代計算，以控制液壓伺服作動器的控制信號，最終實現(xiàn)對液壓伺服作動器的精確控制，可保證系統(tǒng)的最大安全性。系統(tǒng)還設(shè)計有前端濾波的PIDF 調(diào)節(jié)，具有良好的穩(wěn)定裕度。

系統(tǒng)自診斷和故障診斷功能可提供故障代碼，給出基本原因提示，同時能自動停止試驗或執(zhí)行其它腳本定義動作，可檢測傳感器工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)傳感器異常，自動報警、自動觸發(fā)保護。系統(tǒng)還配備一個應(yīng)急停按鈕，可以緊急切斷當(dāng)前試驗的液壓子站，以保護試驗安全。

系統(tǒng)可隨時調(diào)整PID 參數(shù)、伺服閥控制參數(shù)[3]，控制器力控通道能自動補償因長導(dǎo)線電阻引起的橋路激勵電壓壓降，有效控制系統(tǒng)加載精度。

2.4.4 測試系統(tǒng)選取

通過對試驗任務(wù)書中測試需求分析，本次應(yīng)變和位移測量設(shè)備選用DH3820 高速靜態(tài)應(yīng)變（位移）測試系統(tǒng)，采樣率采用100 Hz，能測出結(jié)構(gòu)對模擬的試驗載荷和環(huán)境條件的響應(yīng)，系統(tǒng)能實時給出試驗數(shù)據(jù)的讀數(shù)和曲線。

系統(tǒng)主要由高速靜態(tài)應(yīng)變（位移）測試分析儀、應(yīng)變計（位移傳感器）、工業(yè)級千兆交換機、工控計算機組成。測試時，應(yīng)變片（位移傳感器）感受到測量信號，經(jīng)測試分析儀對信號調(diào)理放大并進行濾波處理，然后由工業(yè)控制計算機對數(shù)據(jù)進行采集并儲存，該測試系統(tǒng)自帶通道自檢功能，可進行現(xiàn)場多點快速巡回自檢，對各通道應(yīng)變片工作狀態(tài)進行檢查，對連接不正常的通道報警提示，系統(tǒng)硬件還設(shè)計有自動調(diào)零功能，調(diào)零后不影響系統(tǒng)的測量量程；系統(tǒng)可根據(jù)橋路類型、導(dǎo)線電阻等自動完成對測量結(jié)果的修正，保證了測量精度。

2.5 試驗

通過調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)PID 參數(shù)，調(diào)整作動器響應(yīng)、載荷跟隨情況，直到滿足試驗要求。應(yīng)變系統(tǒng)連接完畢后進行各通道參數(shù)設(shè)置并進行通道自檢，排除故障點后進入加載控制系統(tǒng)與測試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)步驟，通過調(diào)節(jié)靜踏步時間限、報警上下限等參數(shù)，以達(dá)到安全控制、實時同步采集、準(zhǔn)確記錄的效果，滿足試驗所需后進行后續(xù)試驗。

按國軍標(biāo)及試驗要求中的試驗順序，分別完成了項目1 單套鋼索承載能力試驗、項目2 側(cè)向過載的100%設(shè)計載荷試驗和項目3 向前過載的100%設(shè)計載荷試驗。其中，項目2 和項目3 試驗，對應(yīng)每一級加載均進行了應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)采集。

3 試驗結(jié)果及分析

項目1 試驗加載至100%設(shè)計載荷時，加載系統(tǒng)正常，試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定，按加載步長繼續(xù)加載至170%設(shè)計載荷時，試驗用系留鋼索斷裂，試驗中止。經(jīng)現(xiàn)場檢查：試驗用系留鋼索在調(diào)節(jié)夾緊裝置處出現(xiàn)斷裂及斷絲。

項目2 和項目3 試驗均加載至100%設(shè)計載荷，經(jīng)現(xiàn)場檢查：包裝箱模擬件、貨盤及16 根系留鋼索均未出現(xiàn)肉眼可見的變形及局部破壞。

經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析，試驗加載誤差均不超過0.1%，所有測點應(yīng)力均小于材料的屈服極限，包裝箱系留強度試驗結(jié)果滿足GJB 67.9—1985 的相關(guān)要求。

后經(jīng)包裝箱實際地面裝卸試驗驗證，其系留強度滿足設(shè)計需求。

4 結(jié)論

本文立足于某運輸類飛機運輸包裝箱系留設(shè)計要求及系留特點，確定了包裝箱系留強度試驗方案，該方案充分考慮了加載和測試方法設(shè)計，通過系留強度試驗結(jié)果及地面實際裝卸試驗，驗證了該系留方式安全可靠，符合實際使用要求，為該類運輸包裝箱安全運輸提供了保障。