大尺寸柔性攔阻網(wǎng)強(qiáng)度試驗加載裝置設(shè)計方法

馬利娜

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

貨艙攔阻網(wǎng)是飛機(jī)貨運系統(tǒng)中安全保障必備裝置，用于飛機(jī)應(yīng)急著陸時防止貨物過量移動，保護(hù)機(jī)組人員及設(shè)備安全。大型運輸機(jī)常采用格網(wǎng)式攔阻網(wǎng)，由縱向承力帶和橫向承力帶組成[1]?？v向承力帶和橫向承力帶為十字交叉編織，網(wǎng)格呈矩形，交叉處采用和網(wǎng)帶相同的縫紉線縫制。攔阻網(wǎng)主承力構(gòu)件為柔性織物，受力時呈顯著的非線性變形特點，其相對于金屬結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出大變形的特點。攔阻網(wǎng)與機(jī)身多點連接，呈超靜定狀態(tài)，載荷分配不勻時，易導(dǎo)致單根承力帶超載而發(fā)生破壞。

目前，國內(nèi)在役民用運輸機(jī)所安裝的攔阻網(wǎng)均為由歐美供應(yīng)商處采購的成品，攔阻網(wǎng)強(qiáng)度驗證試驗由歐美進(jìn)行，國內(nèi)無相關(guān)數(shù)據(jù)。某型飛機(jī)為我國首款依照最新適航規(guī)范研發(fā)、具有徹底自主知識產(chǎn)權(quán)的大型商務(wù)運輸機(jī)。貨艙攔阻網(wǎng)為首次由國內(nèi)供應(yīng)商設(shè)計研發(fā)的攔阻網(wǎng)產(chǎn)品，按照CCAR25.305a)、b)，CCAR25.307a)、d)，CCAR25.787a)、b)等要求進(jìn)行強(qiáng)度驗證，強(qiáng)度驗證試驗為國內(nèi)首次。

本文分析攔阻網(wǎng)結(jié)構(gòu)和受力特點及變形特點，設(shè)計制造了用于攔阻網(wǎng)強(qiáng)度驗證的加載裝置，并成功完成某型飛機(jī)貨艙攔阻網(wǎng)地面強(qiáng)度試驗。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計方法可用于運輸類飛機(jī)貨艙攔阻網(wǎng)。

2 攔阻網(wǎng)特性

攔阻網(wǎng)承力結(jié)構(gòu)為柔性編織物。柔性編織物的特點為：單一結(jié)構(gòu)在承力時呈現(xiàn)出顯著的非線性特點，初始模量較小，受力時變形有陡增現(xiàn)象[2]；復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)傳力特性更為復(fù)雜，受多重因素影響，對結(jié)構(gòu)相互間變形協(xié)調(diào)要求更高，受力時易發(fā)生大變形。

某型飛機(jī)貨艙攔阻網(wǎng)為格網(wǎng)式(如圖1所示)，由多根縱向、橫向傳力帶構(gòu)成，與機(jī)身連接點多達(dá)28個，縱向傳力帶為主傳力帶，載荷主要作用于主傳力帶，并通過橫向傳力帶分散，最終作用于機(jī)身連接點上。攔阻網(wǎng)傳力路徑極為復(fù)雜，對各傳力帶的協(xié)調(diào)變形要求極高。

圖1 貨艙攔阻網(wǎng)

攔阻網(wǎng)無真實機(jī)身結(jié)構(gòu)作為邊界支持，呈超靜定狀態(tài)，加之為保護(hù)機(jī)身結(jié)構(gòu)，極限狀態(tài)下攔阻網(wǎng)要先于機(jī)身破壞，強(qiáng)度裕度受限[3]，極易出現(xiàn)各傳力帶變形不協(xié)調(diào)、受力不均勻?qū)е聠胃幙椢锍辛лd荷超出限定載荷而提前發(fā)生破壞。

3 加載裝置設(shè)計

3.1 全網(wǎng)面貨物加載曲面模擬

攔阻網(wǎng)為柔性結(jié)構(gòu)，對貨物的限動作用主要通過攔阻網(wǎng)與貨物接觸發(fā)生變形吸收貨物的動能而實現(xiàn)。攔阻網(wǎng)變形不僅受載荷作用點影響，與接觸的貨物形狀、易變形程度及接觸面積等復(fù)雜因素直接相關(guān)[4]。因?qū)嶋H使用過程中貨物形狀等因素復(fù)雜多樣，無法定性、定量分析對攔阻網(wǎng)變形的影響，且若要在試驗過程中控制假件形狀和變形程度達(dá)到與攔阻網(wǎng)變形相匹配，實施難度極大。故模擬貨物假件采用剛性設(shè)計，設(shè)計中不考慮假件變形，僅從假件與攔阻網(wǎng)接觸的加載形狀著手設(shè)計貨物假件加載曲面形狀，使其符合攔阻網(wǎng)變形規(guī)律。

貨物假件加載曲面根據(jù)理論分析及貨物裝載規(guī)范設(shè)計[1]，在極限載荷狀態(tài)下攔阻網(wǎng)產(chǎn)生變形，模擬工程使用狀態(tài)，擬合成曲面形狀。曲面匹配攔阻網(wǎng)變形協(xié)調(diào)規(guī)律，保證攔阻網(wǎng)各主傳力帶在加載過程中為主要承載部位。為保證強(qiáng)度驗證的合理性和有效性，加載曲面基本覆蓋攔阻網(wǎng)全網(wǎng)面，對攔阻網(wǎng)主傳力帶進(jìn)行考核的同時，對全網(wǎng)的協(xié)調(diào)變形要求更高，考核更為嚴(yán)格。貨物假件模擬加載曲面見圖2。

圖2 貨物假件模擬加載曲面

3.2 全網(wǎng)面貨物假件設(shè)計

貨物假件加載曲面為大面積空間異形曲面，轉(zhuǎn)化為實體需采用數(shù)控手段加工成型。試驗過程中，需通過移動假件與攔阻網(wǎng)接觸達(dá)到施加載荷的目的。為便于試驗實施，不僅需要考慮假件加載曲面的可加工性，還需要考慮假件重量、重心等問題。經(jīng)多方比較，假件加載面材質(zhì)選取實物假件，其在攔阻網(wǎng)載荷作用下不會產(chǎn)生變形，通過數(shù)控加工成要求的曲面。為防止攔阻網(wǎng)織帶被木材劃傷，要求曲面加工成型后表面打磨至光滑。

因攔阻網(wǎng)面積較大，相應(yīng)的加載曲面面積較大，無法整體完成加載假件加工。設(shè)計中使用多塊木材加工成要求的曲面，單塊木材采用螺接方式按曲面形狀排列固定在框架上，形成整體加載曲面，見圖3。

圖3 全網(wǎng)面貨物假件

4 貨物移動方式仿真

攔阻網(wǎng)通過貨物假件作為中間介質(zhì)施加載荷，柔性結(jié)構(gòu)非線性的特點決定了攔阻網(wǎng)在載荷作用下易產(chǎn)生較大變形。由于貨物假件需滿足全網(wǎng)面大尺寸設(shè)計，假件自身體積及重量較大，如何保證假件真實模擬貨物在裝機(jī)狀態(tài)下的大范圍平穩(wěn)移動，是解決攔阻網(wǎng)加載的關(guān)鍵問題。

4.1 推車式框架

加載框架由多塊木塊加工而成，為實現(xiàn)試驗加載，設(shè)計推車式加載框架，將貨物假件固定在框架前端。加載框架剛性較大，與貨物假件固定形成整體，受載時的變形可以忽略。

為克服框架自身重量并防止框架翻倒，框架下端安裝4個滑塊，以滑動形式模擬貨物受載時在地板上的平動方式。整個框架模擬小車形式，通過加載作動筒連接框架，推或拉動貨物假件移動，達(dá)到模擬貨物自由平動的目的。

使用作動筒對框架施加主動載荷，可滿足載荷控制精度要求，提高試驗效率。推車式加載框架如圖4所示。

圖4 推車式框架

4.2 假件大行程移動技術(shù)

為模擬實際使用過程中貨物克服地面摩擦進(jìn)行大范圍移動，使用光滑導(dǎo)軌配合滑塊降低假件所受摩擦力。將加載框架下部的4個滑塊安裝在導(dǎo)軌上，滑塊僅能沿導(dǎo)軌方向滑動。導(dǎo)軌方向與載荷方向一致，限制其他方向位移，放開貨物假件沿載荷方向位移，滿足以下設(shè)計條件：

U1=U2=UR1=UR2=UR3

(1)

U3=U攔阻網(wǎng)變形

(2)

導(dǎo)軌長度及安裝位置依據(jù)攔阻網(wǎng)有限元變形理論分析，并做相應(yīng)的工程處理設(shè)計形成。加載過程中，加載框架在作動筒推動下沿導(dǎo)軌平面平穩(wěn)滑動，與攔阻網(wǎng)接觸并隨攔阻網(wǎng)變形發(fā)生大行程移動。

5 試驗中的應(yīng)用

某型飛機(jī)貨艙攔阻網(wǎng)靜強(qiáng)度驗證試驗中，對攔阻網(wǎng)的承載能力進(jìn)行摸底，驗證試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求以及是否滿足適航規(guī)定相關(guān)條例要求。

試驗過程中，攔阻網(wǎng)安裝在模擬真實裝機(jī)條件的試驗臺架上。貨物假件在作動筒作用下，在導(dǎo)軌上沿載荷方向隨攔阻網(wǎng)變形發(fā)生大范圍移動，實現(xiàn)對攔阻網(wǎng)的平穩(wěn)加載，載荷跟隨性良好，如圖5所示。

圖5 加載控制反饋

采用該加載方案后，強(qiáng)度驗證順利通過，且同類試驗結(jié)果保持相對穩(wěn)定性，試驗結(jié)果見表1。

表1 試驗件破壞載荷

6 結(jié) 論

本文針對攔阻網(wǎng)柔性結(jié)構(gòu)受力時載荷分配規(guī)律及變形特點進(jìn)行研究，提出了適用于攔阻網(wǎng)柔性結(jié)構(gòu)加載方案的設(shè)計方法，形成了適用于工程試驗的攔阻網(wǎng)試驗加載裝置，并應(yīng)用于某型飛機(jī)攔阻網(wǎng)審定試驗。試驗結(jié)果表明，該加載裝置合理、高效，可滿足柔性結(jié)構(gòu)加載要求，可供后續(xù)攔阻網(wǎng)類試驗借鑒。