毛一青,楊飛,王樂(lè)
(1.上海奧科賽通用航空有限公司 設(shè)計(jì)部,上海 201210) (2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 試飛運(yùn)營(yíng)支持部,上海 201210) (3.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,西安 710072)
機(jī)翼作為飛機(jī)重要的承載部件,其強(qiáng)度直接影響飛機(jī)的飛行安全。因此,需要通過(guò)機(jī)翼靜力試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)機(jī)翼承載能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)發(fā)現(xiàn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)以及結(jié)構(gòu)改型和發(fā)展具有重要意義。我國(guó)已經(jīng)完成靜力試驗(yàn)的飛機(jī)主要有海鷗300輕型水陸兩棲飛機(jī)、ARJ21支線民用飛機(jī)[1]、C919飛機(jī)干線民用飛機(jī)、某型軍用戰(zhàn)斗機(jī)和某型軍用運(yùn)輸機(jī)[2],靜力試驗(yàn)技術(shù)[3]有所提升,但上述試驗(yàn)機(jī)的機(jī)翼均為鋁合金等金屬結(jié)構(gòu)。
隨著通用航空和民用飛機(jī)的發(fā)展,為了提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度水平,減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量,飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)快速發(fā)展。輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)、軍用飛機(jī)和寬體飛機(jī)的復(fù)合材料使用量快速提升,已經(jīng)從非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu)和主承力結(jié)構(gòu),目前已經(jīng)進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。民用飛機(jī)A350的復(fù)合材料質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量52%,B787飛機(jī)的復(fù)合材料質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量50%,A380飛機(jī)的復(fù)合材料質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量25%;而我國(guó)民用飛機(jī)C919的復(fù)合材料質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量12%,ARJ21飛機(jī)的復(fù)合材料質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%??梢?jiàn),我國(guó)在復(fù)合材料規(guī)范、設(shè)計(jì)、工藝、制造、應(yīng)用等方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大差距。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)的研制,國(guó)內(nèi)缺少?gòu)?fù)合材料環(huán)境影響系數(shù)、載荷分析和靜力試驗(yàn)的工程經(jīng)驗(yàn)。顧誦芬[4]研究了下一代飛機(jī)載荷,崔德剛[5]研究了民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù),黃立偉等[6]、吳炎等[7]和劉楊[8]分別研究了機(jī)翼的載荷,陳紹杰[9]、茅佳兵等[10]研究了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的適航符合性方法,鄭曉玲[11]研究了復(fù)合材料飛機(jī)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析。
國(guó)外對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究更為深入和廣泛,取得了大量有工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果[12-14],具體體現(xiàn)在新設(shè)計(jì)飛機(jī)主要承力部件大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu),例如A380復(fù)合材料中央機(jī)翼、A400M復(fù)合材材料翼面與機(jī)身、波音787復(fù)合材料機(jī)翼等。
M2“風(fēng)翎號(hào)”輕型水陸兩棲飛機(jī)是我國(guó)第一架主承力結(jié)構(gòu)全部為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機(jī),復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量360 kg,設(shè)計(jì)最大質(zhì)量650 kg,結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比超過(guò)90%,全機(jī)質(zhì)量占比超過(guò)55%,具有一定的先進(jìn)性。
本文以M2飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼為研究對(duì)象,首先分析ASTM F2245的機(jī)翼強(qiáng)度適航條款要求;其次研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)環(huán)境影響系數(shù)和機(jī)翼載荷系數(shù),機(jī)翼載荷類型;然后計(jì)算機(jī)翼限制載荷和極限載荷;最后研究機(jī)翼靜力試驗(yàn)的約束和加載,對(duì)機(jī)翼靜力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
M2“風(fēng)翎號(hào)”水陸兩棲輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)采用新型氣動(dòng)布局,機(jī)頭水滴形全景座艙,雙座并排操縱布置,中機(jī)身布置單發(fā)電噴高級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳;機(jī)翼采用層流翼型上單翼布置,無(wú)后掠直機(jī)翼,機(jī)翼前緣防抖振失速設(shè)計(jì)、可調(diào)后緣襟翼。采用T型尾翼,升降舵和副翼設(shè)計(jì)配重塊。機(jī)身下部設(shè)計(jì)為船底帶中央浮筒和左右浮筒結(jié)構(gòu)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)全部采用高級(jí)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、可靠性和抗疲勞特性好。系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置,機(jī)體和系統(tǒng)維修方便。M2飛機(jī)的翼展10.1 m,最大起飛質(zhì)量650 kg,設(shè)計(jì)飛行高度3 500 m,最大航程1 000 km,巡航速度198 km/h,最大功率平飛速度220 km/h,向上的垂向過(guò)載4g。飛行試驗(yàn)如圖1所示。
圖1 M2飛機(jī)飛行試驗(yàn)Fig.1 M2 airplane flight test
軍用飛機(jī)靜力試驗(yàn)要求按照GJB 67.9A-2008《軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范:第9部分——地面試驗(yàn)》[15]開(kāi)展。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在民用飛機(jī)上的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代中期,1978年FAA頒布了咨詢通報(bào)AC20-107《復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)》,這是有關(guān)復(fù)合材料的第一個(gè)適航規(guī)范。波音727飛機(jī)的升降舵、L-1011飛機(jī)的副翼和波音737飛機(jī)的水平尾翼根據(jù)這一規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和適航審查。我國(guó)民用飛機(jī)靜力試驗(yàn)通常按照CCAR-23部或CCAR-25部的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行適航審查。單發(fā)6 座水陸兩棲海鷗300飛機(jī)是由原國(guó)防科工委批準(zhǔn)立項(xiàng),適航要求為中國(guó)民航的《正常類、實(shí)用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》。M2水陸兩棲輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)嚴(yán)格按照現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)流程和適航審定程序開(kāi)展設(shè)計(jì)。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM F2245-16《輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)性能與設(shè)計(jì)規(guī)范》[16],接受中國(guó)民航華東管理局的適航審定。適航取證嚴(yán)格按照符合性驗(yàn)證方法MOC 0~MOC 9的適航驗(yàn)證方法,制定了符合性檢查單、規(guī)劃了局方參與的重大試驗(yàn)和試飛科目,進(jìn)行了制造符合性檢查,保證了適航取證的規(guī)范性和質(zhì)量。
M2水陸兩棲輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)按照適航設(shè)定要求,完成了設(shè)計(jì)、制造、性能計(jì)算、質(zhì)量計(jì)算、載荷計(jì)算、部件試驗(yàn)、整機(jī)試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和滑水試驗(yàn)。主要完成全機(jī)強(qiáng)度靜力試驗(yàn)、水載荷靜力試驗(yàn)、應(yīng)急著陸試驗(yàn)、系留載荷試驗(yàn)、滑水試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、航電試驗(yàn)、操縱系統(tǒng)試驗(yàn)、操縱功能試驗(yàn)、全機(jī)稱重試驗(yàn)、全機(jī)起落架落震試驗(yàn),高度和空速校準(zhǔn)試飛、性能試飛、操縱穩(wěn)定性試飛、地面和水面特性試飛等,均需要滿足設(shè)計(jì)要求。
M2飛機(jī)機(jī)翼靜力試驗(yàn)的目的是對(duì)機(jī)翼的載荷、結(jié)構(gòu)按進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證,具體為驗(yàn)證機(jī)翼結(jié)構(gòu)及機(jī)翼同機(jī)身連接處機(jī)翼部分以及連接銷在限制載荷和極限載荷作用下滿足ASTM F2245-16 第5.1.1.3、5.1.3、5.2.2節(jié)的適航要求。條款規(guī)定的強(qiáng)度和變形要求如下:
“第5.1.1.3節(jié):如果飛機(jī)因受載荷而變形,明顯改變內(nèi)外載荷的分布,此種重新分布的載荷必須被考慮。
第5.1.3.1節(jié):結(jié)構(gòu)必須能夠承受限制載荷而無(wú)有害的永久變形,在直到限制載荷的任何載荷作用下,結(jié)構(gòu)變形不得妨礙安全運(yùn)行。
第5.1.3.2節(jié):結(jié)構(gòu)必須能夠承受極限載荷至少3秒鐘而不被破壞。但是當(dāng)用模擬真實(shí)載荷情況的動(dòng)力試驗(yàn)來(lái)表明強(qiáng)度的符合性時(shí),則此3秒鐘的限制不適用。
第5.2.2節(jié):對(duì)稱飛行情況。”
載荷系數(shù)主要包括復(fù)合材料環(huán)境系數(shù)、過(guò)載系數(shù)、限制載荷系數(shù)、極限載荷系數(shù)。
3.1.1 復(fù)合材料環(huán)境系數(shù)
由于復(fù)合材料手糊成型工藝的強(qiáng)度離散系數(shù)為6%~10%,因此對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu),根據(jù)《On Certification Specifications, Including Airworthiness Codes and Acceptable Means of Compliance for Very Light Aeroplanes》CS-VLA 619系數(shù)定義,計(jì)算限制載荷時(shí)考慮復(fù)合材料安全系數(shù)取1.15。
3.1.2 過(guò)載系數(shù)
M2飛機(jī)的飛行速度載荷包線如圖2所示。
圖2 M2飛機(jī)飛行包線過(guò)載Fig.2 M2 airplane flight envelope load factor
向上最大垂向過(guò)載為4.0,向下最大垂向過(guò)載為-2.0,載荷方向向上為正,向下為負(fù)。運(yùn)輸類飛機(jī)的垂向最大過(guò)載為2.5g,輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的垂向過(guò)載最大為4,因此輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率要求更高。
3.1.3 限制載荷安全系數(shù)
限制載荷安全系數(shù)通常為使用載荷,為包線載荷的1.0倍。如果為復(fù)合材料結(jié)構(gòu),還需考慮復(fù)合材料環(huán)境系數(shù)1.15。
3.1.4 極限載荷安全系數(shù)
引用ASTM F2245-16§5.1.2.1,除非在§5.1.2.2中有另外說(shuō)明,極限載荷安全系數(shù)必須為1.5,即nUL=1.5,極限載荷為限制載荷的1.5倍。
根據(jù)ASTM F2245-16適航條款要求,輕型運(yùn)動(dòng)飛機(jī)包線載荷主要包括:機(jī)動(dòng)載荷、陣風(fēng)載荷、慣性載荷、水載荷、系留載荷、操縱面載荷、起落架載荷。
機(jī)翼載荷類型包括:對(duì)稱機(jī)翼機(jī)動(dòng)載荷、非對(duì)稱機(jī)翼機(jī)動(dòng)載荷、陣風(fēng)載荷。機(jī)翼極限載荷靜力試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)稱機(jī)翼機(jī)動(dòng)載荷工況。
機(jī)翼載荷主要包括:垂直剪力和彎矩、水平剪力和彎矩、機(jī)翼扭矩。
機(jī)翼靜強(qiáng)度極限載荷試驗(yàn)載荷,根據(jù)機(jī)翼機(jī)動(dòng)載荷工況驗(yàn)證機(jī)翼在對(duì)稱載荷下,承受在100%飛行包線D點(diǎn)機(jī)翼限制載荷和極限載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形。
機(jī)翼機(jī)動(dòng)載荷主要是機(jī)翼升力和質(zhì)量分布引起的垂直剪力和彎矩。升力計(jì)算采用Schrenk載荷分布方程計(jì)算,質(zhì)量計(jì)算采用三角形載荷分布計(jì)算。
引述ASTM F2245-16 X1.3.5.1:正向飛行時(shí)大小按X1.3.2和1.3.3所確定的飛機(jī)正常載荷的1.05倍計(jì)算。
機(jī)動(dòng)限制載荷計(jì)算考慮飛機(jī)最大質(zhì)量650 kg,機(jī)翼升力限制載荷系數(shù)=4×1.05×1.15=4.83。質(zhì)量計(jì)算考慮機(jī)翼質(zhì)量90 kg,機(jī)翼質(zhì)量限制載荷系數(shù)=-4×1.15=-4.6。
機(jī)動(dòng)極限載荷計(jì)算考慮飛機(jī)最大質(zhì)量650 kg,機(jī)翼升力極限載荷系數(shù)=4×1.05×1.15×1.5=7.245。質(zhì)量計(jì)算考慮機(jī)翼質(zhì)量90 kg,機(jī)翼質(zhì)量極限載荷系數(shù)=-4×1.15×1.5=-6.9。向上為正,向下為負(fù)。
機(jī)翼升力向上,重力向下,單側(cè)機(jī)翼機(jī)動(dòng)極限載荷總的剪力(N)和彎矩(N·m)分別如圖3~圖4所示,機(jī)翼展向從機(jī)翼根肋(機(jī)翼機(jī)身連接截面)向外,即機(jī)翼根肋是0 m。
圖3 單側(cè)機(jī)翼機(jī)動(dòng)極限載荷總剪力分布(n=4)Fig.3 Wing ultimate loads for shear force(n=4)
圖4 單側(cè)機(jī)翼機(jī)動(dòng)極限載荷總彎矩分布(n=4)Fig.4 Wing ultimate loads for bend moment(n=4)
機(jī)翼翼根剪力限制載荷為13 369 N,機(jī)翼翼根彎矩限制載荷為28 037 N·m;機(jī)翼翼根剪力極限載荷為20 053 N,機(jī)翼翼根彎矩極限載荷為42 056 N·m。機(jī)翼對(duì)稱載荷為在限制載荷和極限載荷作用下的左右對(duì)稱、展向分布,載荷弦向分布作用點(diǎn)為25%的弦長(zhǎng)位置。
M2飛機(jī)機(jī)翼靜力試驗(yàn)構(gòu)型包括試驗(yàn)件和工裝臺(tái)架構(gòu)型。M2飛機(jī)機(jī)翼試驗(yàn)件為正常裝機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)型,包括機(jī)翼主盒段、副翼、襟翼、機(jī)翼大梁連接銷釘、機(jī)翼與機(jī)身連接銷釘、副翼驅(qū)動(dòng)桿、副翼操縱連桿。左、右機(jī)翼結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。
(a) 左機(jī)翼結(jié)構(gòu)
(b) 右機(jī)翼結(jié)構(gòu)圖5 機(jī)翼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch diagram of wing structure
機(jī)翼試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)為模擬機(jī)翼與機(jī)身連接方式,保證在試驗(yàn)的過(guò)程中機(jī)翼的受力方式和飛行狀態(tài)下機(jī)翼的受力方式一致。將機(jī)翼主梁通過(guò)對(duì)接銷釘固定;機(jī)翼根肋通過(guò)根肋銷釘與底座連接。M2飛機(jī)對(duì)稱載荷狀態(tài)機(jī)翼限制載荷和極限載荷試驗(yàn)時(shí),左右機(jī)翼連接在工裝臺(tái)架上,工裝臺(tái)架固定于地面,安裝方式如圖6所示。
圖6 機(jī)翼支持結(jié)構(gòu)Fig.6 Wing support structure
由于機(jī)翼翼肋和大梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu),上翼面加載和下翼面加載對(duì)主結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核效果相同,因此采用反向加載的方法。即對(duì)稱載荷采用左右機(jī)翼脫離機(jī)身單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn),將機(jī)翼倒置(下底面朝上),在機(jī)翼連接銷處用設(shè)計(jì)的工裝夾具支撐約束機(jī)翼,機(jī)翼其他部分懸置。機(jī)翼下表面加載沙袋,模擬機(jī)翼嚴(yán)重工況下的對(duì)稱載荷受載形式,這種加載方式在20世紀(jì)40年代廣泛采用,其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)備周期短,加載方便、直觀;相比液壓加載,可以大幅降低試驗(yàn)費(fèi)用。
為了觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)翼的變形,在左、右機(jī)翼的翼尖前后緣、機(jī)翼中部前緣、機(jī)翼大梁根部布置位移測(cè)量點(diǎn),變形測(cè)量點(diǎn)分布位置如圖7所示。
(a) 左機(jī)翼位移測(cè)量點(diǎn)
(b) 右機(jī)翼位移測(cè)量點(diǎn)圖7 位移測(cè)量點(diǎn)位置Fig.7 Displacement measure location
機(jī)翼靜力試驗(yàn)步驟包括預(yù)加載試驗(yàn)、限制載荷試驗(yàn)和極限載荷試驗(yàn)。
限制載荷試驗(yàn)的步驟為:
(1) 從零逐級(jí)加載直到限制載荷,記錄每級(jí)加載后測(cè)量點(diǎn)的垂直方向位移值;
(2) 保載30 s后逐級(jí)卸載,記錄每級(jí)卸載后測(cè)量點(diǎn)的垂直方向位移值;
(3) 試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢查,結(jié)合記錄的測(cè)量結(jié)果填寫(xiě)試驗(yàn)變形記錄;
(4) 填寫(xiě)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄。
M2飛機(jī)機(jī)翼限制載荷試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。
圖8 機(jī)翼限制載荷試驗(yàn)Fig.8 Wing limit loads static strength test
極限載荷試驗(yàn)步驟為:
(1) 從零逐級(jí)加載直到極限載荷;
(2) 保持3 s后,迅速卸載;
(3) 檢查結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞;
(4) 填寫(xiě)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄。
M2飛機(jī)機(jī)翼極限載荷試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。
圖9 M2飛機(jī)機(jī)翼極限載荷試驗(yàn)Fig.9 Wing ultimate loads static strength test
機(jī)翼靜力試驗(yàn)載荷如表1所示。
表1 機(jī)翼靜力試驗(yàn)載荷分析Table 1 Wing static test loads analysis
從表1可以看出:機(jī)翼靜力試驗(yàn),限制載荷和極限載荷加載載荷相對(duì)試驗(yàn)要求載荷分別大0.04%、0.15%,加載載荷滿足試驗(yàn)要求;試驗(yàn)破壞載荷相對(duì)設(shè)計(jì)載荷的偏差為2.23%,表明復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、載荷分析和強(qiáng)度試驗(yàn)的精度較高。
機(jī)翼靜力試驗(yàn)垂向加載引起機(jī)翼垂向變形位移,機(jī)翼極限載荷翼尖變形與載荷曲線如圖10所示。
圖10 機(jī)翼極限載荷翼尖變形與載荷曲線Fig.10 Wing ultimate loads and displacement curve
飛機(jī)機(jī)翼靜力試驗(yàn)位移測(cè)量結(jié)果分析表明:
(1) M2飛機(jī)機(jī)翼限制載荷試驗(yàn),左機(jī)翼翼尖最大垂向變形位移179 mm,右機(jī)翼翼尖最大垂向變形位移177 mm,左右偏差2 mm,相對(duì)偏差1.1%;
(2) M2飛機(jī)機(jī)翼極限載荷試驗(yàn),右機(jī)翼翼尖最大垂向變形位移253 mm;左機(jī)翼翼尖最大垂向變形位移233 mm,左右偏差20 mm,相對(duì)偏差7.9%;
(3) M2飛機(jī)機(jī)翼翼尖(L2、R2)變形位移載荷曲線為線性關(guān)系,加載位移過(guò)程穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)變形合理;
(4) M2飛機(jī)機(jī)翼左右翼尖的前緣點(diǎn)與后緣點(diǎn)(L2與L3、R2與R3),位移載荷曲線吻合,說(shuō)明加載載荷和位置正確,沒(méi)有附加扭矩;左右機(jī)翼2號(hào)點(diǎn)和3號(hào)點(diǎn)展向位移對(duì)稱性好,說(shuō)明機(jī)翼結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好、試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。
(5)M2飛機(jī)左右機(jī)翼對(duì)接中M點(diǎn)的位移,機(jī)翼限制載荷試驗(yàn)時(shí)最大變形2 mm;機(jī)翼極限載荷試驗(yàn)時(shí)最大變形3 mm。說(shuō)明試驗(yàn)支持穩(wěn)定,機(jī)翼根部大梁變形小。
(6) M2飛機(jī)機(jī)翼靜力試驗(yàn)結(jié)果證明M2飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
(7) M2飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)滿足ASTM F2245-14 第5.1.1.3、5.1.3、5.2.2節(jié)的適航要求。
(1) 通過(guò)機(jī)翼限制載荷靜力試驗(yàn)、極限載荷靜力試驗(yàn)和破壞載荷靜力試驗(yàn)的驗(yàn)證,表明M2飛機(jī)的機(jī)翼載荷滿足適航設(shè)定的要求。
(2) 主承力結(jié)構(gòu)全部為復(fù)合材料的M2飛機(jī),其機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。