（中國飛機強度研究所，西安 710065）

0 引言

飛機飛行時承受氣動載荷和渦流的隨機振動，為了在地面較真實地模擬這些載荷對垂尾的作用進行試驗，設(shè)計了靜、動載荷聯(lián)合加載裝置，要求靜、動載荷加載力垂直翼面，激振點位置可調(diào)，并且垂尾受靜載變形時動載設(shè)備應(yīng)隨動調(diào)整姿態(tài)，工作穩(wěn)定可靠，滿足有關(guān)性能指標(biāo)。

1 設(shè)計分析

1.1 加載部件選型及運動分析

通常對翼面施加載荷選用液壓伺服作動器，作用力范圍大，行程大，工作可靠，但在雙垂尾部位對翼面加載用液壓伺服作動器，其長度受兩垂尾之間空間限制，另外其質(zhì)量、剛度都會影響試件的振動特性。氣囊則不然，如圖1所示（其中一個型號），可施加1kN到50kN的載荷甚至更高，而尺寸小、質(zhì)量小、剛度小，對試件的振動特性影響小[1,2]，氣囊的柔性也可適應(yīng)試件小范圍變形，因此采用氣囊對垂尾施加靜載是很好的選擇。動載設(shè)備選用電磁振動臺，如圖2所示，激振力及激振頻率等性能指標(biāo)均可滿足要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。加載設(shè)備的布局如圖3所示（左右兩側(cè)垂尾情況相同），根據(jù)垂尾從頂部到底部對應(yīng)載荷及變形的位移量選取不同的氣囊，把氣囊布置在機翼兩邊，氣囊一端固定在框架上，一端與垂尾連接。由于垂尾頂部位移大，若用長尺寸氣囊，水平安裝容易下垂，工作不穩(wěn)定，所以在這個位置采用氣缸并接短氣囊的方法滿足行程和載荷要求。把電磁振動臺安置在氣囊外邊，中心對應(yīng)垂尾激振點，用其轉(zhuǎn)軸支撐，最終把氣囊和電磁振動臺固定在同一框架上。

圖1 加載氣囊圖

圖2 電磁振動臺圖

以右垂尾為例，工作開始時氣囊和電磁振動臺激振桿垂直翼面，當(dāng)氣囊向垂尾右側(cè)方向加載，垂尾向右彎曲A°并扭曲，（此處實際應(yīng)為曲線，簡化為直線），振動臺激振桿與翼面會形成90±A°夾角，要保證振動臺激振桿跟隨垂尾激振點且繼續(xù)與翼面垂直，振動臺和激振桿必須跟隨改變5個自由度，即俯仰旋轉(zhuǎn)A°，同時支持振動臺的支撐轉(zhuǎn)軸必須沿Y向、X向和Z向（航向）移動，還要繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)，變成虛線位置。

振動臺支撐轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角α及Y向和X向的位移量與已知量的關(guān)系為：

其中R值由激振點位置確定，垂尾變形角A由有限元分析和靜力試驗數(shù)據(jù)綜合所得，L值的選取考慮氣囊與振動臺之間的空間以及振動臺后端與構(gòu)架不干涉為宜，可求得Y1、X1和Y2、 X2值。

Z向（航向）的位移量根據(jù)激振區(qū)域設(shè)定；垂尾繞自軸旋轉(zhuǎn)角B°如圖4所示，根據(jù)有限元分析和靜力試驗數(shù)據(jù)綜合所得。

圖3 加載設(shè)備布局及翼面投影圖

1.2 電磁振動臺5自由度調(diào)姿結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述分析，每臺電磁振動臺必須滿足軸向（Y向）、垂向（X向）、航向（Z向）的移動和繞自軸俯仰運動及繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)才能滿足隨動加載要求。如果對電磁振動臺采用多支柱球鉸支撐形式或關(guān)節(jié)型機械手的形式實現(xiàn)5自由度運動，都是不現(xiàn)實的，因為這些結(jié)構(gòu)形式位移量小或剛性差[3,4]，因此對電磁振動臺采用傾斜懸掛輔助支撐形式，在其內(nèi)部各方向運動機構(gòu)從下到上疊加藕合，如圖5所示，首先讓振動臺可以繞自軸俯仰旋轉(zhuǎn)和激振桿軸向（Y向）移動，然后可航向（Z向）移動，再能垂向（X向）移動。由于每個垂尾兩邊的2臺電磁振動臺都必須繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)，因此把垂尾兩邊的2臺振動臺的三方向移動機構(gòu)和俯仰機構(gòu)以及氣囊支撐架設(shè)計在同一框架上，即同一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，讓垂尾位于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)的2臺電磁振動臺和2組氣囊之間，如圖6所示。

圖4 右邊垂尾從上向下俯視圖

圖5 五自由度運動機構(gòu)原理圖

圖6 五自由度運動機構(gòu)模型圖及內(nèi)部模型圖

1.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及導(dǎo)軌型式

如圖7所示（拆解圖），采用上、下兩組大軸承組合使整體旋轉(zhuǎn)框架承受傾覆力矩，帶動氣囊及振動臺繞垂尾軸旋轉(zhuǎn)。三個直線運動方向的導(dǎo)軌采用新型燕尾槽導(dǎo)軌[5]結(jié)構(gòu)可承受傾覆力矩。

圖7 傾斜吊掛機構(gòu)拆解圖

常規(guī)燕尾槽導(dǎo)軌對于傾覆力矩造成的間隙不能得到很好的調(diào)整，因此設(shè)計了新型燕尾槽導(dǎo)軌，如圖8所示，凹導(dǎo)軌內(nèi)鑲兩個斜鑄塊與凸導(dǎo)軌配合，通過兩側(cè)的球頭螺栓推動斜鑄塊調(diào)整間隙，靜動導(dǎo)軌吻合度好，且斜鑄塊耐磨減振。

圖8 新型燕尾槽導(dǎo)軌圖

2 實施方案

本裝置工作原理如圖9所示。

圖9 工作原理圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖10～圖13所示，氣囊固定在垂尾兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)整體框架側(cè)梁上，電磁振動臺通過減振氣囊連接支撐旋轉(zhuǎn)軸（如圖2所示），支撐旋轉(zhuǎn)軸連接在5自由度運動構(gòu)架上，振動臺軸向和航向驅(qū)動機構(gòu)分別由一臺伺服電機、一臺渦輪蝸桿減速機和一套絲杠絲母組成，分別驅(qū)動軸向和航向的凹導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件運動；垂向移動機構(gòu)用一臺伺服電機同步驅(qū)動升降框架兩側(cè)的垂向升降機，升降機上的絲母連接升降框架，帶動下部其它運動機構(gòu)及振動臺傾斜式上下運動。振動臺繞自軸俯仰運動由伺服電機驅(qū)動直角形渦輪蝸桿減速機，輸出軸上齒輪驅(qū)動振動臺轉(zhuǎn)軸上的齒輪完成旋轉(zhuǎn)。整體框架旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為上、下兩副圓形滑動導(dǎo)軌，摩擦副材料為45鋼和錫青銅，脂潤滑。由于繞垂尾旋轉(zhuǎn)機構(gòu)尺寸和質(zhì)量大，旋轉(zhuǎn)動力為伺服液壓缸驅(qū)動，選用2臺單出桿非對稱伺服液壓缸，為避免換向時發(fā)生壓力突變，對系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響[6]，我們把2臺非對稱缸設(shè)計成一推一拉形式，布置在下部圓導(dǎo)軌兩側(cè)，進油管并接一個液壓缸的有桿腔和另一個液壓缸的無桿腔，出油管相反并接一個液壓缸的無桿腔和另一個液壓缸的有桿腔，這樣整體框架旋轉(zhuǎn)換向或調(diào)速時都會用其中一個液壓缸的無桿腔和另一個液壓缸的有桿腔工作，所以調(diào)速或正反向工作時油腔容積相同，流量和壓力不會突變，運動平穩(wěn)，也節(jié)省空間。旋轉(zhuǎn)制動為活塞桿上安裝機械式液壓鎖，斷電或無壓力油供給時其內(nèi)部蝶簧鎖緊液壓缸活塞桿不動，同時伺服電機也有鎖緊功能，使整體框架不得旋轉(zhuǎn)。

在圓形導(dǎo)軌上設(shè)計了可拆裝開口結(jié)構(gòu)，拆開活動塊，垂尾隨飛機可直接推入整體框架內(nèi)，為試驗換裝和維修節(jié)約大量人力物力。

圖10 加載設(shè)備航向圖

圖11 去掉整體框架的航向圖

圖12 去掉整體框架Y向圖

圖13 加載設(shè)備俯視圖

3 強度分析與試驗驗證

旋轉(zhuǎn)整體框架是本設(shè)備的重要受力構(gòu)件，強度分析如下。圖14是整體框架部分的有限元模型，材料為：Q235，橫梁、立柱、斜撐以及上下兩個圓形導(dǎo)軌用梁元模擬；上下面板，加強板用四邊形和三角形單元模擬；內(nèi)部兩側(cè)的振動臺及運動裝置分別用集中質(zhì)量元模擬。由于框架是對稱的，我們考慮氣囊載荷和激振力載荷的反作用力施加在一邊框架上。由圖15可見，垂尾上共布置有5行12個氣囊，激振力反作用力施加在激振器質(zhì)量元所在節(jié)點上。由于框架固定在上下兩個圓形導(dǎo)軌上，我們在上下兩個圓形導(dǎo)軌四周共9個節(jié)點上施加簡支約束，約束3個平動位移。

圖14 整體框架模型圖

圖15 有限元模型載荷圖

整個模型共308個節(jié)點346個單元。x方向的外載荷為氣囊載荷和激振力載荷之和。z方向外載荷是重力載荷。圖16～圖18顯示變形及x方向、y方向和z方向位移云圖，由圖中可見，整個模型的最大位移4.22mm。其中z方向位移分量最大，因為重力載荷比較大。y方向位移分量最小，因為y方向沒有載荷。x方向的位移分量在-0.09～1.93之間，其中在氣囊載荷反作用力作用的幾個橫梁上位移較大，四個豎向滑軌梁上x方向的位移分量較小，在0.17mm以下。

圖16 x方向位移云圖

圖17 y方向位移云圖

圖18 z方向位移云圖

圖19 梁元最大組合應(yīng)力圖

圖20 板元應(yīng)力圖

圖19顯示梁元最大組合應(yīng)力，最大應(yīng)力53.58Mpa，在下部大圓導(dǎo)軌上。圖20顯示板元vonMises應(yīng)力，最大應(yīng)力101Mpa。

安全裕度：

動強度校核有限元模型如圖21所示，整個模型由殼單元和體單元組成，部件之間的連接采用Rbe2單元連接，單元總數(shù)128.6萬。模態(tài)計算得前3階結(jié)果如圖22～圖24所示，第三階模態(tài)為激振方向，頻率57.7Hz，不在試驗頻率范圍，設(shè)備安全。

對剛度較弱部位通過增加筋板和減輕質(zhì)量，提高了剛度，改善了結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能[7～9]，滿足了設(shè)計要求。

圖21 固支邊界條件圖

圖22 模態(tài)1，頻率49.7Hz

圖23 模態(tài)2，頻率50.2Hz

圖24 模態(tài)3，頻率57.7Hz

設(shè)備調(diào)試，首先計算機控制伺服機構(gòu)帶動振動臺在5自由度行程范圍內(nèi)運動，各方向運動機構(gòu)運動靈活自如，與氣囊及其他附件無干涉。然后安裝垂尾假件，模擬試驗，一切符合要求，然后，將飛機推入本裝置內(nèi)，確定激振點位置，調(diào)整振動臺位姿，讓激振桿對準(zhǔn)垂尾激振點與翼面垂直，對垂尾進行掃頻，掌握垂尾的動態(tài)性能，然后按照抖振試驗載荷譜進行試驗，設(shè)備運行平穩(wěn)，工作可靠。

4 結(jié)論

本裝置克服了飛機自身空間尺寸的限制，使加載系統(tǒng)盡可能小的影響飛機的剛度及動態(tài)性能，五自由度隨動功能靈活可靠，在設(shè)備減振、平穩(wěn)運動、飛機的維修換裝方面也進行了考慮，實現(xiàn)了對飛機垂尾進行靜、動載荷聯(lián)合加載的目的，為較真實的模擬飛機氣動載荷在地面進行試驗提供了先進的平臺，本裝置對其他試件進行聯(lián)合隨動加載具有借鑒意義。

[1]張治君,李益萱,王龍,邵闖.一種新的振動疊加氣動耦合加載技術(shù)[J].實驗力學(xué),2014(4):29-2.

[2]李益萱,張治君,邵闖.氣動加載與振動激勵耦合試驗方法研究[J].實驗力學(xué),2014(8):29-4.

【】【】

[3]張鐵異.基于閉鏈結(jié)構(gòu)的五自由度關(guān)節(jié)型電驅(qū)動機械手研制[J].機械傳動,2014(5).

[4]戴珊珊.新型簡易五自由度焊接機械手的設(shè)計[J].液壓與氣動,2011(12).

[5]白鈞生,徐曉東,段寶利,等.一種新型燕尾槽導(dǎo)軌設(shè)計及其調(diào)整的方法實現(xiàn)[J].機床與液壓,2016(2).

[6]趙洪偉,段世慧,楊勝春,滕申科.閥控非對稱缸摩擦力對缸內(nèi)壓力的影響[J].機床與液壓,2015(9).

[7]孫曉潔,陳俊,王安柱,朱忠奎.大型振動臺夾具的模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進[J].蘇州:蘇州大學(xué)學(xué)報（工科版）,2011(10):31-5.

[8]黃舟,黃海.六自由度振動臺臺體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].航天器環(huán)境工程,2015(10):32-5.

[9]周金林,付晨暉,劉旭琳.振動試驗夾具設(shè)計方法研究[J].裝備環(huán)境工程,2012(12):9-6.