二力桿件結構載荷測試地面標定方法

杜曉坤，劉克格，劉彥鵬，段垚奇

(北京飛機強度研究所，北京 100083)

1 引 言

飛機結構中有許多只受同一軸線拉壓載荷作用的結構，即二力桿件結構，如飛機操縱桿件、活動舵面控制作動筒等[1，2]。獲得這些二力桿件結構在飛機實際飛行過程中的載荷，對飛機疲勞壽命研究具有非常重要的意義[3，4]。

為獲得二力桿件結構的實際使用載荷，通常采用應變法進行測試，而載荷地面標定試驗設計是否合理會直接影響所測載荷的準確度[5-7]。文獻[8]介紹了美國航空航天局(NASA)在實驗室進行載荷測試的應變片粘貼和載荷地面標定技術。文獻[9]設計了起落架載荷測試的應變片粘貼和標定試驗方案，并研究了起落架標定試驗數(shù)據(jù)處理技術。文獻[10]探討了有起落架布置的雙三角翼的載荷測試技術，利用全機自平衡原理，對其外場載荷地面標定技術進行了研究。針對外場載荷測試試驗具有場地不固定且基礎設施不完善的特點，本文提出一種二力桿件結構載荷測試地面標定方法，以應對外場條件下不同類型二力桿件結構載荷測試地面標定試驗。

2 地面標定試驗裝置設計

在無承力設施的外場環(huán)境，對二力桿件結構準確施加沿其軸線的載荷是地面標定試驗的關鍵。對于需施加較大載荷的情況，這基本無法進行。為了解決上述問題，本文利用杠桿原理，設計了一種可移動式的二力桿件結構載荷測試地面標定試驗裝置。該試驗裝置的理論模型如圖1所示，根據(jù)式(1)可得載荷放大系數(shù)D。

(1)

式中，D為載荷放大系數(shù)；L1為固定鉸接點到二力桿件鉸接點的距離；L2為加載載荷點到二力桿件鉸接點的距離。

采用自制調(diào)查表,對患兒家屬對治療的滿意度進行調(diào)查,量表總分0~100分,≥80為滿意,60~79分為一般滿意,<60分為不滿意。

圖1 試驗裝置理論模型

分別在3種桿件模型表面上的長度中心位置取40mm×20mm表面區(qū)域作為應變測試區(qū)域，計算區(qū)域內(nèi)應變平均值，模擬應變片受力反應。由于這3種桿件模型僅在長度上有差異，區(qū)域內(nèi)應變平均值基本相同，均可取2.02×10-5。

圖2 試驗裝置示意圖

實際試驗過程中，隨著試驗件(尤其是具有較高柔性的試驗件)受載變形，試驗裝置的橫梁與底座是處在不平行狀態(tài)的，通過式(3)計算得到的理論計算載荷會存在誤差。在試驗裝置上安裝位移傳感器，試驗時記錄位移傳感器和加載裝置處力傳感器的數(shù)值，根據(jù)式(4)～式(17)可實時計算出試驗件承受的理論計算載荷Fl的大小，與通過三向力傳感器測量得到的試驗件實際承受載荷Fs進行校對，可防止因三向力傳感器故障影響試驗安全和精度。由于二力桿件結構接頭形式多樣，部分接頭形式很難進行三向力傳感器的安裝，進行地面標定試驗時也可直接采用理論計算載荷Fl代替Fs進行記錄。

在試驗裝置橫梁與底座平行的狀態(tài)下，試驗件承受的理論計算載荷Fl可由式(3)計算得到。

在實際加載過程中，加載裝置施加的載荷通過杠桿放大施加到試驗件上，通過三向力傳感器即可得到施加在試驗件上的實際載荷，即：

(2)

式中，F(xiàn)s為試驗件實際承受的載荷；Fx為三向力傳感器X向載荷；Fy為三向力傳感器Y向載荷；Fz為三向力傳感器Z向載荷。

Apelin基因rs2235306多態(tài)性與2型糖尿病早期腎損害的關系 … 賈少丹 李靖劉偉 等（5）605

Fl=F0*D

(3)

多數(shù)企業(yè)將信息技術應用于企業(yè)管理，財務會計在使用信息技術的過程中可以提升數(shù)據(jù)處理效率。這種背景下，企業(yè)選擇將職能部門進行合并，減少人員使用的同時，提升員工的工作效率。

為方便后文描述，本文中坐標系規(guī)定：原點為轉動軸軸心，X軸沿底座指向底座尾端為正，Y軸沿底座縱梁指向底座為正，Z軸與XY平面垂直且符合右手定則。

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(17)

針對這3種不同長度的桿件，分別建立試驗裝置模型，簡化掉非主要的傳力部件，載荷放大系數(shù)D為4，其中L1為600mm，L2為1800mm。3種試驗裝置模型橫梁與X軸的角度分別為17.49°、0°、-21.45°。試驗裝置模型零部件材料彈性模量均設為210GPa，泊松比為0.28。根據(jù)各零部件的連接形式設置各自接觸類型，在橫梁和底座分別與加載裝置鉸接處施加大小相等、沿加載裝置軸線方向相反的載荷，模擬加載裝置對試驗件施加壓向載荷。每種模型設置4種載荷工況，載荷大小分別為5kN、10kN、15kN、20kN。試驗裝置加載應變分布結果如圖4所示。計算出3種試驗裝置模型在不同載荷工況下桿件應變測試區(qū)域的應變平均值，根據(jù)式(18)得到桿件所受載荷的有限元仿真結果。有限元計算載荷與理論計算載荷見表1-表3。

3 有限元仿真

參考實際二力桿件尺寸，將試驗件簡化為直徑160mm的桿件，設置3種長度的桿件模型作為算例進行獨立分析，其長度分別為1200mm(1#桿件)、1380mm(2#桿件)、1600mm(3#桿件)。桿件材料彈性模量設為210GPa，泊松比為0.28。有限元計算時，固定桿件一端，另一端施加100kN的壓向載荷。桿件單獨加載應變分布如圖3所示。

圖3 桿件單獨加載應變分布

根據(jù)理論模型，設計了二力桿件結構載荷測試地面標定試驗裝置(如圖2所示)。該試驗裝置主要由底座、底座縱梁、橫梁和加載裝置等組成。底座上安裝有工業(yè)腳輪和固定地腳，方便試驗裝置移動。底座縱梁固定在底座上，橫梁與底座縱梁通過轉動軸連接。加載裝置安裝在試驗裝置尾端，并與橫梁和底座以鉸接形式連接。加載裝置上安裝有力傳感器，用于記錄加載裝置施加的載荷。用于記錄試驗件實際承受載荷的三向力傳感器固定在橫梁上，位于底座縱梁和加載裝置之間，試驗件通過鉸接形式與底座和三向力傳感器連接。試驗裝置安裝有線位移傳感器，用于記錄橫梁與底座之間的距離變化。加載裝置施加的載荷和試驗件所受載荷均可看作系統(tǒng)的內(nèi)力，整個系統(tǒng)無外力輸入，內(nèi)力實現(xiàn)自平衡。由于試驗件兩端均為鉸接連接，可保證加載過程中試驗件只承受沿其軸線的拉壓載荷。

式中，F(xiàn)l為試驗件承受的理論計算載荷；F0為加載裝置力傳感器的讀數(shù)；D為載荷放大系數(shù)。

其中，(x1,y1)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，試驗件與三向力傳感器鉸接點坐標；(x2,y2)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，線位移傳感器與橫梁連接點坐標；(x3,y3)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，載荷施加裝置與橫梁鉸接點交點坐標；(x1,y4)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，試驗件與底座鉸接點坐標；(x2,y5)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，線位移傳感器與底座連接點坐標；(x3,y6)為橫梁與底座平行狀態(tài)下，載荷施加裝置與底座鉸接點交點坐標；r為位移傳感器讀數(shù)。

諸多研究報道，MRI具備多參數(shù)、多序列成像和高軟組織分辨力，可提供患者不同影像學參考信號的對比圖像，是一種診斷準確性高和無創(chuàng)傷的診斷方式[5]。除此之外，MRI診斷可清晰顯示腫瘤病灶的大小、形態(tài)及生長方式，對腫瘤淋巴結轉移和臨床治療方案選擇具有重要作用[6]。本研究通過增強MRI應用于結直腸癌患者的臨床診斷，結果發(fā)現(xiàn)MRI圖像顯示42例結直腸癌患者中，結腸癌26例，直腸癌16例；MRI增強掃描病灶明顯強化，38例病灶清晰顯示，侵及的周圍組織或器官與鄰近器官間間隙消失，鄰近器官與腫塊粘連。與諸多學者研究報道相似[7]。

(18)

式中，F(xiàn)m為桿件所受載荷的有限元仿真結果，單位為kN；εf為試驗裝置模型仿真時桿件應變測試區(qū)域的應變平均值；εd為桿件模型獨立仿真時桿件應變測試區(qū)域的應變平均值。

由有限元仿真計算載荷與理論計算載荷對比可以看出，理論載荷與有限元計算載荷誤差很小，即使在橫梁與底座不平行狀態(tài)下，載荷誤差依然保持在2%以內(nèi)，可以保證柔性二力桿件結構地面標定試驗施加載荷的準確性，滿足工程測試要求。

(a)試驗裝置(1#桿件)加載應變分布

(b)試驗裝置(2#桿件)加載應變分布

(c)試驗裝置(3#桿件)加載應變分布圖4 試驗裝置加載應變分布

表1 試驗裝置(1#桿件)載荷計算結果

表2 試驗裝置(2#桿件)載荷計算結果

表3 試驗裝置(3#桿件)載荷計算結果

4 結 論

為適應外場環(huán)境，設計了一種二力桿件結構載荷測試地面標定試驗裝置，此裝置對柔性二力桿結構受載變形具有較強的適應性。該試驗裝置可根據(jù)位移傳感器和加載裝置力傳感器的記錄值得到試驗件承受載荷的理論值，可用于校對三向力傳感器的記錄值，也可在無法安裝三向力傳感器的情況下，用于記錄試驗件承受載荷的實際值。

Eliminating φ, derivating Equation(7) to t, then subtituting into Equation(6) to obtain the point C line velocity in the XOY system about EDC slider crank mechanism as follows

建立了不同試驗件長度的有限元仿真模型，有限元仿真計算結果與理論計算結果相吻合，結果誤差滿足工程應用要求。本方法能夠對試驗件加載載荷進行精確控制，保障載荷施加大小和方向。本方法為外場環(huán)境下二力桿件結構載荷測試地面標定試驗提供了一種工程測試途徑。