姜文英，何曉勃，張茹遠(yuǎn)，張龍飛

（中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院四〇一所，陜西西安710025）

直升飛機(jī)輔助外掛油箱靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷計算方法

姜文英，何曉勃，張茹遠(yuǎn)，張龍飛

（中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院四〇一所，陜西西安710025）

為飛機(jī)輔助外掛油箱的分段式靜力加載方法提供載荷計算方法，給出了輔助外掛油箱試驗(yàn)載荷計算過程中的載荷簡化方法和模型，并以實(shí)例展示了整個計算方法和處理過程。所提出的試驗(yàn)載荷計算方法在有限的計算量下較大地提高了試驗(yàn)載荷的計算準(zhǔn)確性，能夠滿足輔助外掛油箱采用分段式加載方法的載荷計算需要，對試驗(yàn)實(shí)踐過程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

直升飛機(jī)；輔助外掛油箱；靜強(qiáng)度試驗(yàn)；載荷計算

某直升飛機(jī)采用了新式的輔助外掛油箱，有效提高了直升飛機(jī)的續(xù)航能力，在直升飛機(jī)工作過程中，輔助外掛油箱會承受多方向、多特性的載荷。為了考核油箱在實(shí)際工作中的力學(xué)強(qiáng)度，需對輔助外掛油箱進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)。輔助外掛油箱的靜力試驗(yàn)載荷包括氣動載荷和設(shè)計載荷2部分，氣動載荷按截面分段提供，設(shè)計載荷以慣性系數(shù)的方式給出。

目前，比較先進(jìn)的輔助外掛油箱靜力試驗(yàn)方法為按截面分段加載法，即將所有不同類型的載荷按截面分段求和，在同一加載方向上對各分段試驗(yàn)載荷求局部合力，然后單向加載，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷在輔助外掛油箱上的施加。

在常規(guī)的載荷計算中，由于油箱球頭結(jié)構(gòu)及油箱腔內(nèi)實(shí)際填充率不為100%，分段內(nèi)的設(shè)計載荷計算難度和計算量較大，常規(guī)對于試驗(yàn)載荷的計算處理方法比較簡單，試驗(yàn)載荷準(zhǔn)確性不夠高。為了進(jìn)一步提供更準(zhǔn)確的外掛油箱靜強(qiáng)度試驗(yàn)載荷，復(fù)現(xiàn)輔助外掛油箱的實(shí)際工況，本文提出了一種新的高效的外掛油箱靜強(qiáng)度載荷計算方法，試驗(yàn)載荷計算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠，可以滿足當(dāng)前的試驗(yàn)要求。

1 試驗(yàn)件概況

試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為輔助外掛油箱，用于貯存并向主油箱輸送燃油，增加直升飛機(jī)的航程。油箱外形結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系見圖1，主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)見表1.

圖1 輔助外掛油箱外形結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系示意圖

表1 輔助外掛油箱主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)

2 載荷要求

試驗(yàn)載荷包括設(shè)計載荷和氣動分布載荷2部分。輔助外掛油箱的設(shè)計載荷分別為：Fxmax＝-4 g，F(xiàn)ymax＝3 g，F(xiàn)zmax＝6 g；氣動載荷分別見表2.

表2 狀態(tài)1各段氣動分布載荷

3 試驗(yàn)方法概要

輔助外掛油箱采用分段式加載方法，采用帆布帶加載方式，以杠桿為簡化合成加載力的手段進(jìn)行輔助外掛油箱的靜力試驗(yàn)。

4 載荷計算

由于外掛油箱氣動載荷按截面分段給出，為方便加載油箱的設(shè)計載荷，按同樣的截面分段方法進(jìn)行計算，計算后將油箱的氣動載荷和設(shè)計載荷按截面分段疊加，然后根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行下一步的試驗(yàn)載荷簡化計算。在油箱的分段上，最終的試驗(yàn)載荷為該分段的氣動載荷與該分段的設(shè)計載荷之和。氣動載荷由試驗(yàn)單位給出，分段內(nèi)設(shè)計載荷由油箱分段內(nèi)燃油及空油箱中段質(zhì)量產(chǎn)生的設(shè)計載荷和油箱分段內(nèi)零部件質(zhì)量產(chǎn)生的設(shè)計載荷2部分組成。

最終的試驗(yàn)載荷計算步驟如下。

步驟一，油箱分段體積。油箱在各個分段上的體積由旋轉(zhuǎn)體體積公式求出，旋轉(zhuǎn)體的體積公式為：

式（1）中：i為油箱分段號；a，b分別為油箱第i段的上、下邊界坐標(biāo)。

步驟二，燃油及蒙皮的分段質(zhì)量。為了方便計算和分析，將油箱中的V體積的油（密度為0.775 g/mm3）等效為充滿油箱的等效液體，等效液體的密度為0.686 3 g/mm3。燃油及蒙皮在油箱各個分段上的質(zhì)量計算結(jié)果見表3.

表3 燃油及蒙皮分段質(zhì)量

步驟三，油箱載油分段總質(zhì)量。油箱載油分段總質(zhì)量為燃油及蒙皮分段質(zhì)量與油箱分段內(nèi)零部件分段質(zhì)量之和，具體方法為將油箱各零部件的質(zhì)量按截面坐標(biāo)向各個分段分配，然后與燃油及蒙皮分段質(zhì)量求和，得到油箱載油分段總質(zhì)量。

步驟四，油箱載油設(shè)計載荷。輔助外掛油箱的設(shè)計載荷為Fxmax＝-4 g，F(xiàn)ymax＝3 g和Fzmax＝6 g，根據(jù)油箱載油分段總質(zhì)量計算出油箱載油設(shè)計載荷，見表4.

表4 油箱載油設(shè)計載荷

步驟五，油箱試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)載荷為氣動載荷與X向設(shè)計載荷之和，計算結(jié)果見表5.

表5 狀態(tài)1試驗(yàn)載荷

5 創(chuàng)新點(diǎn)

輔助外掛油箱靜強(qiáng)度試驗(yàn)計算方法創(chuàng)新點(diǎn)為：①以往油箱蒙皮設(shè)計載荷計算是將油箱蒙皮設(shè)計載荷按照分段長度分配到各截面，本文利用積分方法精確計算油箱蒙皮在各分段上的設(shè)計載荷，相較常規(guī)計算方法提高了設(shè)計載荷計算的準(zhǔn)確性。②以往計算燃油設(shè)計載荷的方法是將V體積燃油設(shè)計載荷按分段長度分配在各分段上，對部分型號油箱球頭分段長度進(jìn)行系數(shù)修正，修正系數(shù)為2/3.本文的計算方法為將V體積燃油等效為充滿油箱的等效液體（燃油實(shí)際填充率88.56%），等效原則為等質(zhì)量原則，等效完成后用積分的方法精確計算燃油等效液體在油箱各分段上的設(shè)計載荷。相較以往，本文的燃油設(shè)計載荷計算方法準(zhǔn)確性有較大提高，在保證較高準(zhǔn)確性的前提下也考慮了計算量的控制。

6 結(jié)論

輔助外掛油箱靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法復(fù)雜，試驗(yàn)載荷計算難度和計算量較大。本文提出的試驗(yàn)載荷計算方法在有限的計算量下較大地提高了試驗(yàn)載荷的計算準(zhǔn)確性，能夠滿足輔助外掛油箱采用分段式加載方法的載荷計算需要，并且對試驗(yàn)實(shí)踐過程具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

［1］李艷麗，王逸迅.旋轉(zhuǎn)體體積的計算方法［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報，2008（03）.

［2］陳珍培.空間情形下旋轉(zhuǎn)體體積的近似計算［J］.高等數(shù)學(xué)研究，2017（02）.

［3］許廣海，趙保平.均勻設(shè)計在飛行器靜力試驗(yàn)中的應(yīng)用［G］//2007均勻試驗(yàn)設(shè)計學(xué)術(shù)交流會論文集，2007.

〔編輯：劉曉芳〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.074

2095-6835（2017）15-0074-02