劉瑋，滕青，劉冰

1. 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710065 2. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 強(qiáng)度部, 上海 201210

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)驗(yàn)證是飛機(jī)研制過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)[1]。民用航空器運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR—25部對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證有嚴(yán)格的要求[2]。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，試驗(yàn)加載應(yīng)盡可能模擬飛機(jī)真實(shí)的受載狀態(tài)，必須針對(duì)試件結(jié)構(gòu)和具體加載部位，合理選擇載荷引入方式。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載技術(shù)研究已有數(shù)十年的歷史，歐美國(guó)家發(fā)展了以硬式連接為特點(diǎn)的加載方法，拉壓墊、剪力塊、硬式連接杠桿系統(tǒng)技術(shù)逐步成熟。蘇聯(lián)/俄羅斯則發(fā)展以膠布帶-杠桿系統(tǒng)為特點(diǎn)的軟式連接加載方法[3-6]。中國(guó)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)師從于蘇聯(lián)，早期同樣以膠布帶-杠桿系統(tǒng)為主要加載形式。近年來(lái)，先后開(kāi)發(fā)出了一體化承載框架[7]、垂直弦平面加載[8]、雙向加載拉壓墊[9-10]、起落架隨動(dòng)加載[11]、0g扣重[12-13]等加載技術(shù)并投入型號(hào)試驗(yàn)，且開(kāi)始通過(guò)虛擬試驗(yàn)手段評(píng)估試驗(yàn)方案的合理性、預(yù)報(bào)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)[14-17]。具體到機(jī)身垂向加載問(wèn)題上，以往最常見(jiàn)的方法是通過(guò)在機(jī)身框蒙皮表面粘貼膠布帶引入載荷[3]。這種方法忽視了對(duì)機(jī)身地板梁相關(guān)結(jié)構(gòu)的考核，沒(méi)有真實(shí)地模擬機(jī)身主要載荷(客載和貨載)的傳遞路徑[18-19]。隨著民用飛機(jī)考核驗(yàn)證要求的不斷提高，地板結(jié)構(gòu)在機(jī)身承載中的作用受到更多的關(guān)注?？湛驮贏350飛機(jī)的全機(jī)疲勞試驗(yàn)中，采用了一種基于機(jī)身地板結(jié)構(gòu)的加載技術(shù)，通過(guò)在客、貨艙分別搭建獨(dú)立的杠桿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載，波音公司在Boeing787飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中也采用了相似的技術(shù)，為減少機(jī)身蒙皮開(kāi)孔，一套杠桿系統(tǒng)覆蓋了8個(gè)機(jī)身框，因此難以用于各工況載荷分布差異較大的靜力試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)，航空工業(yè)一飛院與中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所在某大型運(yùn)輸機(jī)全機(jī)靜力試驗(yàn)及MA600飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)艙單層地板施加垂向向下載荷[20]。但其加載裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，無(wú)法適用于具有雙層地板結(jié)構(gòu)的大型客機(jī)[21]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍然處于起步摸索階段，對(duì)于加載裝置的設(shè)計(jì)使用原則及實(shí)際加載精度、加載有效性等問(wèn)題尚無(wú)定量分析或試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)于報(bào)道。

根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)傳力分析，基于地板結(jié)構(gòu)加載能夠更好地模擬客載和貨載的傳遞路徑，從而對(duì)試件結(jié)構(gòu)進(jìn)行更有效的驗(yàn)證考核。同時(shí)，基于地板結(jié)構(gòu)的加載方式能極大地減少試驗(yàn)加載設(shè)備對(duì)機(jī)身外表面的占用，利于進(jìn)行機(jī)身應(yīng)變位移測(cè)量、蒙皮失穩(wěn)觀察、試驗(yàn)前后無(wú)損檢測(cè)等工作。

本文提出了一種基于地板結(jié)構(gòu)的機(jī)身雙層雙向加載技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“地板結(jié)構(gòu)加載技術(shù)”)，包括基于地板結(jié)構(gòu)的載荷施加策略及配套的加載裝置設(shè)計(jì)技術(shù)。分別以基于地板結(jié)構(gòu)加載狀態(tài)下機(jī)身框內(nèi)力分布及加載裝置末端載荷分配精度為主要指標(biāo)，通過(guò)仿真及模擬試驗(yàn)手段對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。最終成功應(yīng)用于在研飛機(jī)的適航驗(yàn)證試驗(yàn)，也為同類(lèi)飛機(jī)的全機(jī)或機(jī)身部段試驗(yàn)提供參考。

1 基于地板結(jié)構(gòu)的機(jī)身加載方案選擇

1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)受力特征分析

在真實(shí)飛行狀態(tài)下，機(jī)身載荷主要包括結(jié)構(gòu)自身的慣性/氣動(dòng)載荷、客/貨艙裝載的慣性載荷和增壓艙增壓載荷等[18]。對(duì)于民用飛機(jī)，機(jī)身主要用于裝載乘客和貨物，客/貨慣性載荷是機(jī)身結(jié)構(gòu)的最主要載荷，以某型飛機(jī)機(jī)動(dòng)平衡2.5g工況為例，典型機(jī)身艙段客/貨載荷占艙段總載荷的88%?？洼d和貨載首先作用在客艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)上，通過(guò)地板結(jié)構(gòu)再傳遞到機(jī)身殼體結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的加載方法通過(guò)膠布帶直接將客/貨載荷施加到機(jī)身兩側(cè)的殼體結(jié)構(gòu)上，沒(méi)有遵循載荷的真實(shí)傳遞路徑，對(duì)載荷傳遞路徑上的局部結(jié)構(gòu)驗(yàn)證不真實(shí)，可能存在考核不充分的風(fēng)險(xiǎn)。為此提出了一種地板結(jié)構(gòu)加載技術(shù),解決局部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證不真實(shí)的問(wèn)題。

1.2 3種機(jī)身試驗(yàn)載荷加載方案比較分析

在全機(jī)有限元計(jì)算時(shí)，飛機(jī)載荷均按結(jié)構(gòu)真實(shí)受載情況施加在模型節(jié)點(diǎn)上，可以認(rèn)為此計(jì)算最真實(shí)地模擬了飛機(jī)受載，計(jì)算結(jié)果真實(shí)反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)載荷的施加由于試驗(yàn)加載方法的限制，無(wú)法做到類(lèi)似全機(jī)有限元計(jì)算的加載密度，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化。以全機(jī)有限元計(jì)算結(jié)果(全機(jī)解)為基準(zhǔn)，與3種機(jī)身試驗(yàn)加載方案有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，選擇最優(yōu)的加載方案。

3種機(jī)身試驗(yàn)加載方案為：方案1，傳統(tǒng)的蒙皮膠布帶加載方案；方案2，客艙地板單層加載方案；方案3，客艙和貨艙雙層地板結(jié)構(gòu)加載方案。3種加載方案示意圖如圖1所示, 典型機(jī)身段的有限元模型如圖2所示。

將3種加載方案計(jì)算結(jié)果與全機(jī)有限元計(jì)算(簡(jiǎn)稱(chēng)全機(jī)解)結(jié)果進(jìn)行比較，分別比較了典型機(jī)身主要承載結(jié)構(gòu)壁板和框結(jié)構(gòu)的承載情況，壁板長(zhǎng)桁軸向力對(duì)比如圖3所示，框彎矩對(duì)比如圖4所示。

可以看出3種加載方案對(duì)機(jī)身壁板受載作用效果一致，且與全機(jī)有限元計(jì)算結(jié)果吻合；對(duì)于機(jī)身框的受載作用效果，22長(zhǎng)桁以上吻合較好，22長(zhǎng)桁以下存在一定偏差，特別是31長(zhǎng)桁處差異很大。

分析31長(zhǎng)桁處框彎矩差異的原因，31長(zhǎng)桁位置是地板支柱與框連接點(diǎn)，機(jī)身結(jié)構(gòu)真實(shí)傳力客載是通過(guò)地板結(jié)構(gòu)傳遞到機(jī)身結(jié)構(gòu)上的，地板支柱上有一個(gè)較大的集中力在31長(zhǎng)桁位置作用到框上，引起框彎矩增大，而方案1直接將所有機(jī)身載荷(包括客載)通過(guò)膠布帶直接作用在機(jī)身側(cè)壁蒙皮上，沒(méi)有模擬客載的真實(shí)傳遞路徑。此計(jì)算結(jié)果也證實(shí)了前期的定性分析。

圖1 3種加載方案示意圖Fig.1 Sketch of three loading schemes

圖2 典型機(jī)身段的有限元模型Fig.2 Finite element model for typical fuselage

圖3 典型機(jī)身壁板軸向力對(duì)比(48～49框)Fig.3 Comparison of axial force of typical fuselage panel (Frames 48-49)

圖4 典型機(jī)身框彎矩對(duì)比(49框)Fig.4 Comparison of bending moments of typical fuselage frame (Frame 49)

1.3 機(jī)身垂向加載方案選擇

從3種加載方案對(duì)框受載作用計(jì)算結(jié)果來(lái)看，方案1無(wú)法模擬機(jī)身結(jié)構(gòu)真實(shí)傳力路徑；方案2由于將所有機(jī)身載荷僅施加到客艙地板結(jié)構(gòu)上，對(duì)客艙地板結(jié)構(gòu)模擬過(guò)于保守，使31長(zhǎng)桁處框彎矩異常增大，如果按此方案進(jìn)行試驗(yàn)，可能會(huì)引起局部框結(jié)構(gòu)提前破壞；方案3將客載和貨載分別施加到客艙和貨艙地板上，然后將其他機(jī)身載荷按一定比例分配到客艙和貨艙地板上施加，在滿(mǎn)足框結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下略偏保守地解決了垂向機(jī)身載荷加載。

綜上，選擇方案3作為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)身垂向加載方案。

2 全機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)身加載方案

本文提出基于地板結(jié)構(gòu)的機(jī)身雙層雙向加載技術(shù)，主要包括一種基于地板結(jié)構(gòu)的機(jī)身載荷施加策略及相應(yīng)的專(zhuān)用加載裝置設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)在機(jī)身內(nèi)部地板結(jié)構(gòu)上搭建杠桿加載裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)身垂向載荷加載。

地板結(jié)構(gòu)加載的設(shè)想是：使用一組永久性加載裝置完成各種不同工況的機(jī)身加載，通過(guò)拉桿穿過(guò)蒙皮將作動(dòng)器等加載設(shè)備的集中載荷引入機(jī)身，經(jīng)過(guò)杠桿系統(tǒng)分配后施加到機(jī)身各框站位所在的客、貨艙地板結(jié)構(gòu)上。實(shí)現(xiàn)雙層地板結(jié)構(gòu)加載需要解決以下問(wèn)題：

1) 加載策略問(wèn)題，保證對(duì)機(jī)身各框站位考核充分，各工況下控制剖面載荷準(zhǔn)確。

2) 加載裝置問(wèn)題，保證加載裝置與地板結(jié)構(gòu)連接處載荷分配準(zhǔn)確。

2.1 加載策略與載荷處理

試驗(yàn)載荷處理，是將強(qiáng)度分析用載荷等效處理為試驗(yàn)可實(shí)施的載荷，載荷處理時(shí)應(yīng)盡可能保證試驗(yàn)考核區(qū)域的受力真實(shí)，對(duì)于非考核區(qū)域的載荷可適當(dāng)簡(jiǎn)化[22]。不同工況機(jī)身各站位載荷分布均有差異，若針對(duì)每個(gè)工況單獨(dú)設(shè)置加載裝置不僅會(huì)增加巨大的工作量，且需要在蒙皮上設(shè)置大量開(kāi)口，不具有可實(shí)施性。

因此在機(jī)身地板結(jié)構(gòu)加載中采用以下策略：在機(jī)身考核工況下，對(duì)于考核部位設(shè)置若干個(gè)考核站位，試驗(yàn)載荷處理要求保證考核站位內(nèi)力與目標(biāo)載荷一致，其他站位內(nèi)力與飛機(jī)載荷的差異在可接受的范圍內(nèi)。上述若干個(gè)必須保證載荷一致的機(jī)身剖面在試驗(yàn)載荷處理時(shí)定義為“控制剖面”。

2.1.1 機(jī)身載荷組合與分區(qū)

將全機(jī)試驗(yàn)機(jī)身載荷按客載、貨載和慣性載荷分別離散成各框站位上的集中載荷。客載施加在客艙地板結(jié)構(gòu)上，貨載施加在貨艙地板結(jié)構(gòu)上，將慣性載荷按一定比例分別處理到客艙和貨艙加載點(diǎn)上。

根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)考核要求確定若干個(gè)控制剖面，控制剖面將機(jī)身劃分成若干個(gè)加載區(qū)域，以便下一步載荷處理。

2.1.2 機(jī)身典型載荷分布與加載點(diǎn)設(shè)置

設(shè)置加載裝置實(shí)現(xiàn)地板梁加載，一般1套裝置覆蓋4個(gè)框距。考慮到需要通過(guò)機(jī)身蒙皮開(kāi)孔加載，每套加載裝置的合力點(diǎn)位置無(wú)法變化，需要按照一種具有代表性的典型載荷分布設(shè)計(jì)杠桿系統(tǒng)力臂。為保證考核充分，選取機(jī)身各分區(qū)的嚴(yán)重考核工況作為典型載荷分布。按照加載裝置覆蓋范圍典型載荷分布設(shè)置集中力加載點(diǎn)，加載點(diǎn)引出位置滿(mǎn)足機(jī)身開(kāi)孔要求并避開(kāi)機(jī)身長(zhǎng)桁等主要承力結(jié)構(gòu)。

2.1.3 各工況載荷處理及誤差分析

確定機(jī)身所有加載點(diǎn)分布后，將全機(jī)試驗(yàn)各工況機(jī)身載荷處理到這些加載點(diǎn)上，并將加載點(diǎn)載荷反推至機(jī)身各框客艙、貨艙承載結(jié)構(gòu)上，要求在此狀態(tài)下控制剖面的彎矩、剪力和扭矩值與目標(biāo)載荷誤差滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

具體處理流程如圖5所示。

圖5 載荷處理流程圖Fig.5 Flowchart of load treatment

2.2 加載裝置設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)身雙層部段，設(shè)置專(zhuān)用的杠桿加載裝置，將機(jī)身各框站位的垂向載荷施加在客艙和貨艙地板結(jié)構(gòu)上。每4個(gè)框設(shè)置一套加載裝置，采用樹(shù)形杠桿結(jié)構(gòu)，包括加載拉桿、聯(lián)合杠桿、客艙加載組件、貨艙加載組件等部分。在加載點(diǎn)位置的機(jī)身蒙皮上設(shè)置開(kāi)孔，通過(guò)拉桿穿出機(jī)身外加載。機(jī)身雙層地板梁加載裝置示意圖如圖6所示。

加載裝置共設(shè)置5級(jí)杠桿，依據(jù)典型載荷分布各框客、貨艙載荷設(shè)計(jì)各級(jí)杠桿力臂比。對(duì)加載裝置各部件自由度進(jìn)行分析，各級(jí)杠桿間合理選用球軸鉸接、螺栓鉸接、螺栓固接等連接方式，避免加載裝置對(duì)試件產(chǎn)生附加剛度影響，確保加載裝置能跟隨試件變形并保持載荷分配準(zhǔn)確。

1―蒙皮；2―客艙地板；3―貨艙地板；4―向上加載機(jī)構(gòu)；5―向下加載機(jī)構(gòu)；6―聯(lián)合杠桿1；7―聯(lián)合杠桿2；8―客艙杠桿組； 9―貨艙加載斜撐；10―貨艙杠桿組圖6 加載裝置示意圖Fig.6 Sketch of loading device

2.3 加載裝置模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

地板結(jié)構(gòu)加載作為一項(xiàng)新技術(shù)，在投入型號(hào)試驗(yàn)應(yīng)用前，有必要通過(guò)模擬試驗(yàn)充分驗(yàn)證加載裝置的可靠性、穩(wěn)定性及加載精度。

模擬機(jī)身雙層地板結(jié)構(gòu)幾何邊界條件設(shè)計(jì)了加載裝置模擬試驗(yàn)臺(tái)架，包括支持框架、上/下層支持橫梁、客/貨艙地板結(jié)構(gòu)假件等部分。在加載裝置與模擬的機(jī)身地板結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置監(jiān)視點(diǎn)測(cè)力傳感器，測(cè)量末級(jí)載荷節(jié)點(diǎn)的實(shí)際傳力，并與分析結(jié)果對(duì)比，以此評(píng)估整套加載裝置的載荷分配精度。

為全面驗(yàn)證該加載系統(tǒng)向上、向下加載時(shí)的載荷傳遞精度，設(shè)置了2種載荷工況。試驗(yàn)使用液壓作動(dòng)筒加載，向下工況使用2個(gè)加載點(diǎn)，載荷均為100 kN，分20級(jí)同步加載，逐級(jí)記錄加載點(diǎn)和監(jiān)視點(diǎn)實(shí)測(cè)載荷；向上工況設(shè)置1個(gè)加載點(diǎn)，加載載荷為60 kN，記錄最終狀態(tài)下的加載點(diǎn)及監(jiān)視點(diǎn)載荷。模擬試驗(yàn)示意圖及照片如圖7所示。

2個(gè)工況各進(jìn)行了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異常響聲；未發(fā)現(xiàn)加載裝置出現(xiàn)失穩(wěn)、卡滯或其他異常；卸載后目視檢查加載裝置，未見(jiàn)異常。加載準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)，監(jiān)視點(diǎn)載荷重復(fù)性較好。向下工況監(jiān)視點(diǎn)載荷如表1所示，向上工況監(jiān)視點(diǎn)載荷如表2所示。

表1和表2中監(jiān)視點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)表明，加載裝置末級(jí)加載節(jié)點(diǎn)載荷分配誤差可控制在±1%以?xún)?nèi)，即使在高載情況下，加載裝置及試驗(yàn)臺(tái)架彈性變形對(duì)載荷分配精度也不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

圖7 地板結(jié)構(gòu)加載裝置模擬試驗(yàn)示意圖及照片F(xiàn)ig.7 Sketch and photo of cabin floor structure loading device test

表1 向下工況監(jiān)視點(diǎn)載荷Table 1 Load of watch points in downward case

表2 向上工況監(jiān)視點(diǎn)載荷Table 2 Load of watch points in upward case

經(jīng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，基于機(jī)身地板結(jié)構(gòu)的雙層雙向加載裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，載荷分配準(zhǔn)確，變形跟隨性良好，可應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)。

3 型號(hào)應(yīng)用

地板結(jié)構(gòu)加載技術(shù)在完成模擬試驗(yàn)驗(yàn)證后已應(yīng)用于某型在研民用飛機(jī)的全機(jī)靜力試驗(yàn)中。如圖8和圖9所示，在前機(jī)身、中后機(jī)身設(shè)置雙層加載裝置7套，覆蓋28個(gè)框；在中機(jī)身、中后機(jī)身收縮段設(shè)置客艙單層加載裝置6套，覆蓋21個(gè)框；總計(jì)合成向下加載點(diǎn)24個(gè)，向上加載/扣重點(diǎn)13個(gè)，可滿(mǎn)足絕大部分工況的全機(jī)試驗(yàn)機(jī)身加載或部件試驗(yàn)機(jī)身配載要求。

在試驗(yàn)中，加載裝置精度良好，機(jī)身應(yīng)變、位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值吻合。同時(shí)，由于整套加載裝置在試驗(yàn)開(kāi)始前一次安裝到位，節(jié)省了試驗(yàn)過(guò)程中不同工況杠桿和作動(dòng)筒的換裝、檢查時(shí)間，新技術(shù)在縮短試驗(yàn)周期等方面效果顯著。

圖8 某型客機(jī)地板結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)示意圖Fig.8 Sketch of floor structure loading system of a certain airliner

圖9 某型客機(jī)地板結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.9 Photos of floor structure loading system of a certain airliner

4 結(jié) 論

以民機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)身垂向加載方式為研究對(duì)象，結(jié)合型號(hào)任務(wù)，分析了基于機(jī)身地板結(jié)構(gòu)雙層雙向加載技術(shù)實(shí)施的必要性，提出并設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)身地板結(jié)構(gòu)的加載裝置，經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)了加載裝置的加載精度，最終應(yīng)用于在研型號(hào)飛機(jī)的全機(jī)靜力試驗(yàn)，解決了加載裝置在真實(shí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的諸多協(xié)調(diào)問(wèn)題。

地板結(jié)構(gòu)加載技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)能夠準(zhǔn)確模擬機(jī)身載荷的實(shí)際傳力路徑，對(duì)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證更真實(shí)；加載裝置的應(yīng)用還減少了試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)裝置的換裝工作量，加快了試驗(yàn)進(jìn)度。

參 考 文 獻(xiàn)

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