叢琳華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

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典型翼面結(jié)構(gòu)熱力協(xié)調(diào)加載技術(shù)

叢琳華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

針對(duì)某型翼面結(jié)構(gòu)熱力聯(lián)合試驗(yàn)，提出了在熱環(huán)境中采用托板與拉桿組合方式力載荷施加技術(shù)，該技術(shù)能夠減小力載荷對(duì)溫度場(chǎng)均勻性的影響。同時(shí)，采用帶滑輪的加熱裝置，實(shí)現(xiàn)了與翼面變形的隨動(dòng)，滿(mǎn)足高溫環(huán)境下翼面大變形時(shí)的加載要求，并在試驗(yàn)中成功應(yīng)用，為以后熱試驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)拓了新思路。

翼面結(jié)構(gòu)；熱強(qiáng)度；試驗(yàn)方案

1 引 言

高超聲速飛行器飛行時(shí)，機(jī)身壁板在氣流摩擦下會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，使壁板的內(nèi)外表面形成很高的溫度梯度，給飛行器的熱防護(hù)及其動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。為保證高速飛行器的安全，確認(rèn)飛行器的材料和結(jié)構(gòu)是否能經(jīng)得起高速飛行時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊及高溫?zé)釕?yīng)力破壞，須對(duì)高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱強(qiáng)度試驗(yàn)。尤其是壁板的熱力環(huán)境耦合，使得結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算十分復(fù)雜。熱、力兩者間的耦合效應(yīng)表現(xiàn)為熱環(huán)境改變壁板材料的物理力學(xué)性能，且壁板內(nèi)非均勻溫度場(chǎng)產(chǎn)生的溫度梯度所引起的應(yīng)力變化將改變壁板的剛度[2]。

傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法和設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了很大的革新和改造,在進(jìn)行常溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，已經(jīng)形成從試驗(yàn)的支持方案、試驗(yàn)載荷處理、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)結(jié)果分析等方面的完整體系[3]，靜強(qiáng)度試驗(yàn)采用拉壓墊、帆布帶、杠桿、真空吸盤(pán)等多種方式進(jìn)行載荷的施加[4-7]。而翼面結(jié)構(gòu)高溫條件下力載荷的加載，不僅要求加載機(jī)構(gòu)在高溫環(huán)境中保證自身的使用功能，還要求加載機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量少地影響結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中的響應(yīng)，并盡可能減小對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響。因此，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，要綜合考慮試驗(yàn)技術(shù)要求和試驗(yàn)安全性要求，重點(diǎn)研究熱力協(xié)調(diào)加載方法，在確保試驗(yàn)的安全性的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求，以實(shí)現(xiàn)對(duì)翼面結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度性能的驗(yàn)證。

2 熱強(qiáng)度試驗(yàn)力載荷設(shè)計(jì)原則

熱強(qiáng)度試驗(yàn)加載系統(tǒng)是在試件上模擬結(jié)構(gòu)承受載荷過(guò)程的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于作用在結(jié)構(gòu)上的載荷是非周期性的，隨時(shí)間變化又比較劇烈，因此它與靜強(qiáng)度試驗(yàn)協(xié)調(diào)加載裝置的最大區(qū)別是熱強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)必須有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在多點(diǎn)加載時(shí)必須按多閉路相關(guān)系統(tǒng)來(lái)考慮。

對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)加載又加熱時(shí)，加載連接件須穿過(guò)加熱器，還要求盡量減少對(duì)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度和溫度分布的影響，因此多數(shù)情況下只加集中載荷，加載點(diǎn)較少；加熱引起的結(jié)構(gòu)剛度變化，或者加熱、加載使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形的情況下，必須考慮系統(tǒng)的非線性。

對(duì)于翼面結(jié)構(gòu)，常規(guī)的石英燈管輻射加熱可以滿(mǎn)足試驗(yàn)熱載荷在800℃以?xún)?nèi)的加載要求。而在高溫情況下，力載荷加載需要考慮的技術(shù)要求更為復(fù)雜。熱強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，施加集中載荷時(shí)要遵循如下原則：

(1)連接構(gòu)件或接頭要適應(yīng)高溫環(huán)境，既要受熱，又要傳遞力載荷。

(2)連接的構(gòu)件或接頭不能?chē)?yán)重地破壞加熱器和試驗(yàn)件表面的熱場(chǎng)，即這些連接構(gòu)件不應(yīng)有較大的熱沉；加力桿要穿過(guò)加熱器的反射器，因此加力桿既要傳力，又不能太粗。

(3)采用開(kāi)孔連接方式時(shí)，孔和接頭不能明顯地影響試驗(yàn)件的總體或局部強(qiáng)度/剛度。

(4)在簡(jiǎn)化載荷時(shí)，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)受力真實(shí)的情況下，盡量減少加載點(diǎn)的數(shù)目。

(5)加載裝置必須準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的受力情況，試驗(yàn)過(guò)程須安全可靠，具有較好的跟隨性。

(6)載荷加載裝置應(yīng)在保證自身使用功能的情況下，盡量減小對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響。

(7)載荷加載裝置應(yīng)盡量少地影響結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過(guò)程中諸如變形、應(yīng)力分布等響應(yīng)。

在試驗(yàn)安全保護(hù)方面，由于加熱裝置帶有強(qiáng)電，試驗(yàn)件預(yù)估變形量大，必須保證在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件與加熱裝置始終保持足夠的安全距離，即使試驗(yàn)中試驗(yàn)件發(fā)生大變形而導(dǎo)致位移甚至破壞，也不至于導(dǎo)致試驗(yàn)件與加熱裝置短路，危及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)人員，造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞以及試驗(yàn)件的二次損壞。

3 熱強(qiáng)度試驗(yàn)力載荷施加方法

在高溫環(huán)境下，力載荷的加載主要分為托板拉桿方式、焊接頭方式、單面推桿方式以及夾板方式等4種方式。下面分析這4種方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，為試驗(yàn)加載方法的選擇提供依據(jù)。

(1)托板、拉桿方式

托板、拉桿方式加載的實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)試驗(yàn)加載點(diǎn)附近區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在避免破壞試驗(yàn)件承載結(jié)構(gòu)的情況下，選擇非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域開(kāi)孔，使用拉桿穿過(guò)試驗(yàn)件后，在試驗(yàn)件另一側(cè)安裝托板，最后通過(guò)拉桿將力傳遞至托板，再由托板傳遞至試驗(yàn)件。拉桿的粗細(xì)、托板大小和形狀需要根據(jù)試驗(yàn)件單位面積承力能力、載荷大小、加載點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。這種加載方式要求開(kāi)孔以及拉桿、托板的安裝不能?chē)?yán)重影響試驗(yàn)件總體或者局部的強(qiáng)度和剛度，而且托板和拉桿應(yīng)盡量小巧，避免影響加熱器工作和減小對(duì)溫度場(chǎng)的破壞。

托板、拉桿方式的優(yōu)點(diǎn)是：加載點(diǎn)準(zhǔn)確，載荷模擬準(zhǔn)確度好；試驗(yàn)過(guò)程中不影響試驗(yàn)件變形，適用于大變形的試驗(yàn)件；試驗(yàn)過(guò)程中加載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；試驗(yàn)加載裝置安裝方便；適用于各種外形尺寸的試驗(yàn)件。

托板、拉桿方式的缺點(diǎn)是：要在試驗(yàn)件表面開(kāi)孔，對(duì)試驗(yàn)件的完整性有一定影響；拉桿需要穿過(guò)加熱器，對(duì)加熱系統(tǒng)有干擾；對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)有一定的影響；不適用于帶有熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)件。

圖1為托板、拉桿的力載荷施加示意圖，圖2為翼面加載拉桿安裝形式圖。

圖1 托板、拉桿的力載荷施加示意圖

圖2 翼面加載拉桿安裝形式照片

(2)焊接頭方式

焊接頭式加載的實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)試驗(yàn)加載區(qū)域結(jié)構(gòu)點(diǎn)，采用焊接方式固定加載用接頭，通過(guò)拉桿將力傳遞至焊接接頭上，再由接頭傳遞至試驗(yàn)件承力結(jié)構(gòu)上。接頭大小和樣式根據(jù)試驗(yàn)件單位面積承力能力、載荷大小、加載點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。這種加載方式要求接頭的樣式和安裝盡量減小對(duì)試驗(yàn)件總體或局部的強(qiáng)度和剛度的影響，接頭和拉桿的尺寸、結(jié)構(gòu)應(yīng)小巧，避免影響加熱器工作和減小對(duì)溫度場(chǎng)的破壞。

焊接頭方式的優(yōu)點(diǎn)是：加載點(diǎn)準(zhǔn)確，載荷模擬準(zhǔn)確度好；試驗(yàn)過(guò)程中不影響試驗(yàn)件總體變形，適用于大變形的試驗(yàn)件；試驗(yàn)過(guò)程中加載裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；試驗(yàn)加載裝置安裝方便；適用于各種外形尺寸的試驗(yàn)件。

焊接頭方式的缺點(diǎn)是：需要在試驗(yàn)件表面焊接接頭，影響試驗(yàn)件的完整性，并局部增加試驗(yàn)件剛度和熱沉；拉桿需要穿過(guò)加熱器，對(duì)加熱系統(tǒng)有干擾；對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)有一定的影響；單個(gè)接頭受限因素多，承載能力小，大載荷的試驗(yàn)件需要接頭數(shù)量過(guò)多；接頭焊接復(fù)雜，對(duì)工藝要求嚴(yán)格，需要嚴(yán)格控制接頭與試驗(yàn)件之間的熱匹配，避免在高溫條件下由于熱匹配問(wèn)題造成接頭的脫落。

圖3給出焊接頭的力載荷施加示意圖。

圖3 焊接頭的力載荷施加示意圖

(3)單面推桿方式

單面推桿方式加載的實(shí)現(xiàn)方法：根據(jù)試驗(yàn)加載區(qū)域結(jié)構(gòu)點(diǎn)和載荷大小，在翼面單側(cè)通過(guò)推桿將力傳遞至推桿頭部的壓板上，再由壓板以推擠的方式將載荷傳遞至試驗(yàn)件承力結(jié)構(gòu)上。壓板大小和樣式根據(jù)試驗(yàn)件單位面積承力能力、載荷大小、加載點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，要求壓板的樣式和安裝應(yīng)盡量保證貼合面在加載時(shí)保持不變，并盡量減小對(duì)溫度場(chǎng)的影響；推桿的尺寸、結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，避免影響加熱器工作和減小對(duì)溫度場(chǎng)的破壞。

單面推桿方式的優(yōu)點(diǎn)是：可以較為準(zhǔn)確地模擬翼面連接處彎矩；試驗(yàn)過(guò)程中不影響試驗(yàn)件變形；單點(diǎn)可以施加大載荷；適用于各種外形尺寸的試驗(yàn)件。

單面推桿方式的缺點(diǎn)是：加載機(jī)構(gòu)在保證穩(wěn)定性和強(qiáng)度的情況下，體積較大，嚴(yán)重影響了溫度場(chǎng)；推桿需要穿過(guò)加熱器，對(duì)加熱系統(tǒng)有干擾；當(dāng)試驗(yàn)件變形較大時(shí)，加載位置會(huì)發(fā)生變化，不適用于大變形的試驗(yàn)件；加載機(jī)構(gòu)零部件多，安裝復(fù)雜。

圖4給出單面推桿的力載荷施加示意圖。

圖4 單面推桿的力載荷施加示意圖

(4)夾板方式

夾板式加載的實(shí)現(xiàn)方法：采用兩塊具有一定剛度和強(qiáng)度的夾板分別夾緊固定在上、下翼面加載點(diǎn)的弦線方向，夾板兩端延伸到加熱器外，由兩端連接加載機(jī)構(gòu)并調(diào)整兩端載荷大小，保證氣動(dòng)力壓心。夾板大小和樣式根據(jù)試驗(yàn)件單位面積承力能力、載荷大小、加載點(diǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。要求夾板的樣式和安裝應(yīng)盡量緊固地貼合上、下翼面，保證在加載時(shí)不發(fā)生滑動(dòng)，夾板的設(shè)計(jì)主要考慮剛度要求和對(duì)溫度場(chǎng)的破壞情況。

夾板方式的優(yōu)點(diǎn)是：可以較為準(zhǔn)確地模擬翼面連接處彎矩和剪力；由于加載系統(tǒng)的連接位于加熱器外，對(duì)加熱器影響較?。粖A具簡(jiǎn)單，安裝方便。

夾板方式的缺點(diǎn)是：由于需要保證彈翼展長(zhǎng)方向的加載位置，上、下夾板與試驗(yàn)件之間需要一定的夾緊力，并且?jiàn)A板保證了一定的剛度后，在加載過(guò)程中將會(huì)限制試驗(yàn)件的變形，因此夾板方式要求試驗(yàn)件自身剛度要大；上、下夾板與試驗(yàn)件之間在試驗(yàn)前施加夾緊力，并保證夾板與試驗(yàn)件的良好貼合，不適用于外形尺寸變化較大的試驗(yàn)件；夾板在保證剛度和強(qiáng)度的情況下，體積較大，嚴(yán)重影響了溫度場(chǎng)；由于在常溫時(shí)施加夾板與試驗(yàn)件的夾緊力，需要嚴(yán)格控制夾板與試驗(yàn)件之間的熱匹配，避免在高溫條件下由于夾緊力問(wèn)題造成試驗(yàn)件的損壞。

圖5給出夾板的力載荷施加示意圖。

圖5 夾板的力載荷施加示意圖

在高溫條件下，上述4種熱載聯(lián)合力載荷加載方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在制定試驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)件自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受載、受熱情況選用或者組合使用。布置在加熱器內(nèi)部的加載裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮、分析各種條件，在保證施加載荷的情況下，其結(jié)構(gòu)盡量小巧，并有針對(duì)性地選用一些如高溫合金鋼等耐熱材料，進(jìn)行適度的熱處理工藝，采取合適的主動(dòng)和被動(dòng)冷卻措施，如表面拋光、鍍層、噴刷隔熱涂層或者采用循環(huán)水冷卻等方式來(lái)保證試驗(yàn)加載的順利完成。

另外，有些結(jié)構(gòu)承受均布的內(nèi)壓或外壓，為了施加均布?jí)毫Γ瑫r(shí)又可對(duì)結(jié)構(gòu)加熱，通常采用抽氣的方法施加外部壓力，采用充氣的方法施加內(nèi)部壓力，這樣在試驗(yàn)件的外側(cè)可實(shí)施加熱。

在結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)中引入了溫度和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)后，在許多情況下提出了按時(shí)間歷程模擬的要求，因?yàn)榘凑诊w行的載荷條件，結(jié)構(gòu)受力危險(xiǎn)情況并不一定是載荷最大時(shí)刻，必須與受熱環(huán)境組合在一起考慮。

4 翼面結(jié)構(gòu)熱力協(xié)調(diào)加載方案

4.1 高溫下力載荷的施加

針對(duì)翼面熱力聯(lián)合試驗(yàn)特點(diǎn)，由于載荷加載點(diǎn)分布廣泛，試驗(yàn)件預(yù)估變形量大，在充分考慮各加載方式優(yōu)缺點(diǎn)后選擇托板、拉桿方式實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下的力載荷加載，但常用的托板、拉桿方式還不能直接用于高溫環(huán)境下翼面結(jié)構(gòu)的力載荷施加，針對(duì)翼面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)托板、拉桿方式進(jìn)行部分改進(jìn)，包括：

(1)對(duì)于超塑成形翼面壁板區(qū)，托板外形必須大于單個(gè)超塑工藝成形的加強(qiáng)筋網(wǎng)格，實(shí)際需根據(jù)單個(gè)加強(qiáng)筋網(wǎng)格的承載能力計(jì)算需要安裝的托板面積；

(2)鉆孔位置選在網(wǎng)格中央?yún)^(qū)域，避免對(duì)加強(qiáng)筋網(wǎng)格造成損傷；

(3)由于拉桿加載時(shí)需要穿過(guò)試驗(yàn)件和加熱器，試驗(yàn)件及加熱器的開(kāi)孔應(yīng)充分考慮試驗(yàn)件變形、熱膨脹等因素的影響，并在加熱器上安裝保護(hù)裝置，避免加載過(guò)程中由于試驗(yàn)件變形或者破壞使得拉桿破壞加熱器或者拉桿與加熱裝置(石英燈管、銅導(dǎo)流條)形成短路；

(4)在托板與試驗(yàn)件貼合面之間布置柔性隔熱墊，減弱因接觸傳熱導(dǎo)致試驗(yàn)件局部溫度降低的問(wèn)題，同時(shí)增加貼合性，避免產(chǎn)生集中力損壞試驗(yàn)件。

托板使用30CrMnSiA鋼板，在托板和彈翼貼合面加墊隔熱層及緩沖材料，以盡量減小對(duì)試驗(yàn)溫度場(chǎng)的影響；試驗(yàn)件內(nèi)部的拉桿采用耐高溫合金鋼棒，外部穿過(guò)加熱器的拉桿考慮到其需要穿過(guò)加熱器反射板，與石英燈管距離更近，選用相同材料的高溫合金鋼棒。另外，考慮到彈翼的變形，拉桿與托板的連接采用活動(dòng)鉸支的形式，以保證試驗(yàn)件在試驗(yàn)過(guò)程中即使發(fā)生較大變形仍能正常施加力載荷，所有拉桿、托板等處于試驗(yàn)溫度場(chǎng)范圍內(nèi)的加載部件均經(jīng)過(guò)鍍鉻處理，降低其吸熱量。具體托板、拉桿等與彈翼的連接安裝見(jiàn)圖6。

圖6 托板、拉桿方式力載荷加載示意圖

4.2 安全保護(hù)方案

高溫環(huán)境下力載荷選取托板、拉桿方式施加，由于拉桿需要穿過(guò)試驗(yàn)件和加熱器，試驗(yàn)件及加熱器的開(kāi)孔在保證加載拉桿的強(qiáng)度后應(yīng)充分考慮試驗(yàn)件變形、熱膨脹等因素的影響，保證在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件與加熱裝置始終保持足夠的安全距離，確保試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

考慮到安全保護(hù)裝置的安裝簡(jiǎn)便性，減少試驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，在托板、拉桿方式力載荷加載中的無(wú)縫鋼管，安裝時(shí)根據(jù)預(yù)估的試驗(yàn)件變形位移量預(yù)留適當(dāng)距離。另外，加熱器支架安裝活動(dòng)輪，使得加熱器與試驗(yàn)件形成隨動(dòng)系統(tǒng)，可以保證試驗(yàn)件與加熱裝置始終保持足夠的安全距離，即使試驗(yàn)件產(chǎn)生大變形位移的情況下，加載機(jī)構(gòu)也能夠順利完成試驗(yàn)。試驗(yàn)件在試驗(yàn)過(guò)程中一旦破壞，也有足夠的安全反應(yīng)時(shí)間，切斷試驗(yàn)電源，中止試驗(yàn)加載系統(tǒng)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備的安全，也防止試驗(yàn)件產(chǎn)生二次破壞。具體安全裝置如圖7所示。

圖7 安全保護(hù)裝置示意圖

5 結(jié) 論

針對(duì)典型翼面結(jié)構(gòu)熱力聯(lián)合試驗(yàn)特點(diǎn)，確定了托板-拉桿加載方法的力載荷施加方法，這種力載荷施加方法有效地避免了對(duì)試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)的影響，同時(shí)將對(duì)溫度場(chǎng)的影響減到最小。在溫度場(chǎng)施加方面，采用帶滑輪的加熱裝置，實(shí)現(xiàn)了與翼面變形的隨動(dòng)，在高溫環(huán)境中滿(mǎn)足了翼面大變形的要求，并綜合考慮了試驗(yàn)的安全性。通過(guò)該項(xiàng)研究，形成了一整套適合典型翼面結(jié)構(gòu)地面熱力聯(lián)合試驗(yàn)的試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)，該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)成果將為高速飛機(jī)翼面結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。

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Coupling Exertion Technology for Mechanical and Thermal Load of Typical Wing Surface Structure

Cong Linhua

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

For a mechanical and thermal coupling strength test of a specific wing surface structure, a new load exertion technology constructed with the combination of splint and pull rod is advanced, and the effect of mechanical load on the uniformity of temperature field is alleviated. At the same time, the adaption of thermal load with wing surface deformation is achieved with the application of heater with rollers, thus the load exertion requirement under great deformation and high temperature circumstance can be fulfilled. The verification in structure test proves that this technology can exploit a new method for thermal test design.

wing surface structure; thermal strength; test approach

2016-08-23

叢琳華(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度分析與試驗(yàn)研究工作。

V216.4+1

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.019