劉斯以，王 崇，張俊愿

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)的全機(jī)或部件結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)是研究全機(jī)或部件結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的靜強(qiáng)度特性，用以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)能否滿足設(shè)計(jì)和強(qiáng)度規(guī)范要求的一種方法，是直升機(jī)研制過程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)[1]。在直升機(jī)懸吊件靜力試驗(yàn)中，試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)重量、假件重量、加載設(shè)備及測(cè)試設(shè)備重量等因素若無法通過傳力設(shè)備消除，在零載荷時(shí)，試驗(yàn)件存在內(nèi)應(yīng)力，將引起試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)變零點(diǎn)值偏移，測(cè)量零點(diǎn)的偏移將對(duì)以后每級(jí)載荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性造成影響[2，3]。為提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，研究其試驗(yàn)測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理方法用以修正試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重要意義。

1 懸吊模式及載荷分布

1.1 懸吊模式

外懸吊根據(jù)懸吊方向通常分為下懸吊、側(cè)懸吊兩種模式，側(cè)懸吊又可分左側(cè)懸吊和右側(cè)懸吊。按懸掛方向分類的懸吊模式示意圖見圖1。下懸吊根據(jù)懸吊點(diǎn)的數(shù)量，又可分為單點(diǎn)懸吊和多點(diǎn)懸吊。按懸吊點(diǎn)數(shù)量分類的懸吊模式示意圖見圖2。

圖1 按懸吊方向分類的懸吊模式示意圖

圖2 按懸吊點(diǎn)數(shù)量分類的懸吊模式示意圖

1.2 分布載荷

將載荷分布在線、面、體上的即為分布載荷，對(duì)應(yīng)的分別為線性分布載荷、面載荷、體載荷。對(duì)于懸吊件，分布載荷指載荷按一定規(guī)律分布于懸吊件空間、坐標(biāo)平面或坐標(biāo)軸線上各點(diǎn)。以懸吊件所受力為例，若懸吊件是一長(zhǎng)度為L(zhǎng)、半徑為r的圓柱體，圖3(b)所示是圓柱體上載荷沿坐標(biāo)軸線連續(xù)分布的示意圖。圖中圓柱體上X、Y、Z向所受力分別作用于X、Y和Z軸線上各坐標(biāo)點(diǎn)，其大小為：fX=f(y)、fY=f(z)和fZ=f(y)。為便于討論，常將分布載荷簡(jiǎn)化為懸吊件質(zhì)點(diǎn)所受作用力與力矩，如圖3(a)所示。此外，載荷的分布可以是連續(xù)分布，也常有離散點(diǎn)分布，如圖3(c)所示[4]。

2 懸吊件的試驗(yàn)加載控制模式

在懸吊式靜力試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)件自身的重量和參試設(shè)施的重量，在實(shí)際加載過程中這些重量是作為載荷存在，在加載過程中需扣除這些重量帶來的載荷，只有當(dāng)某一級(jí)某點(diǎn)的載荷超過該加載點(diǎn)分配重量時(shí)該點(diǎn)才需要加載。實(shí)際試驗(yàn)中在零級(jí)載荷下所測(cè)得的零點(diǎn)為在垂向載荷作用下所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并非試驗(yàn)件在零載荷下的真實(shí)值，而是包含了自重引起的內(nèi)應(yīng)力。因此所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在零點(diǎn)偏移的情況，需對(duì)該情況進(jìn)行數(shù)據(jù)修正以還原試驗(yàn)件實(shí)際受力的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。

3 懸吊式靜力試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

某型直升機(jī)全機(jī)靜力試驗(yàn)是一種典型的懸吊式靜力試驗(yàn)。在對(duì)稱俯沖拉起工況中，采用加載作動(dòng)器施加載荷，粘貼應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)。其中選取4個(gè)應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為1#、2#、3#、4#。靜力試驗(yàn)加載方式通常載荷級(jí)數(shù)為0%，10%，20%，30%，35%…60%，67%，70%，75%，…，100%，每級(jí)以不大于10%遞增至30%，再以5%遞增至60%，后增至67%，之后以不大于5%遞增至設(shè)計(jì)載荷。原始測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。將載荷級(jí)數(shù)與4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)分別作圖，如圖4所示。

圖3 懸吊式試驗(yàn)件載荷分布圖

圖4 各測(cè)點(diǎn)原始應(yīng)變—載荷級(jí)數(shù)圖

表1 各級(jí)載荷下的4個(gè)應(yīng)變測(cè)量的實(shí)測(cè)結(jié)果(單位：微應(yīng)變)

3.2 數(shù)據(jù)處理

從圖4中可以看出，載荷級(jí)數(shù)在30%之前數(shù)據(jù)線性較差，且存在突變的拐點(diǎn)，載荷級(jí)數(shù)30%以后的數(shù)據(jù)線性較好。分析其原因?yàn)橹鄙龣C(jī)機(jī)身自重、假件重量以及用于試驗(yàn)的加載及測(cè)量設(shè)施的重量等因素的影響，使得試驗(yàn)在未開始加載時(shí)已有應(yīng)力，但在試驗(yàn)時(shí)，是作為零位處理，因此該應(yīng)力水平是無法通過測(cè)量的方式得到的，在試驗(yàn)全程測(cè)量的結(jié)果都未包含自身重量造成的影響，因而造成測(cè)量數(shù)據(jù)偏移，不能反映結(jié)構(gòu)在載荷作用下的真實(shí)應(yīng)變值。而且對(duì)比理論有限元分析計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)普遍存在偏小的情況。針對(duì)該情況，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律尋找和修正處理，還原其結(jié)構(gòu)本身在各級(jí)載荷作用下應(yīng)該有的應(yīng)力水平。對(duì)上圖中4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其規(guī)律性，在所有載荷加載點(diǎn)均有載荷時(shí)，其測(cè)量結(jié)果線性規(guī)律都很好。因此，采用了從30%到67%進(jìn)行線性擬合，得到擬合方程：

y=a+bx

分析認(rèn)為，式中截距a即為自重產(chǎn)生的應(yīng)變。具體的數(shù)據(jù)處理過程如下章節(jié)。

3.3 線性回歸

一組靜力試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)(xi、yi；i=1,2,3,…,n)，設(shè)yi的測(cè)量不確定度相等，且呈線性關(guān)系：y=a+bx。

na+(∑xi)b=∑yi

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)解得：

(3)

(4)

將式(3)、式(4)代入y=a+bx，得線性回歸方程。

3.4 零點(diǎn)偏移數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法，先分別將1#至4#測(cè)點(diǎn)30%～67%載荷段數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理，得線性關(guān)系：

y1#=9.7244x-12.355;y2#=19.638x-247.54;

y3#=-7.2058x+50.534;y4#=-9.4589x+52.757。

截距分別為：a1#=-12.355；a2#=-247.54；a3#=50.534；a3#=52.757。再進(jìn)行零點(diǎn)偏移數(shù)據(jù)處理，得到修正后的線性關(guān)系：y1#=9.7244x；y2#=19.638x；y3#=-7.2058x；y4#=-9.4589x。根據(jù)修正后的線性關(guān)系，用插值法分別得出1#至4#號(hào)測(cè)點(diǎn)30%載荷之前的數(shù)據(jù)。修正后應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2所示。

修正后的的曲線圖，如5圖所示。

圖5 各測(cè)點(diǎn)修正后應(yīng)變—載荷級(jí)數(shù)圖

表2 各級(jí)載荷下的4個(gè)應(yīng)變測(cè)量的修正后結(jié)果(單位：微應(yīng)變)

對(duì)比表1和表2、圖4和圖5，表明經(jīng)數(shù)據(jù)修正處理后，扣除了結(jié)構(gòu)重量等垂向載荷的影響，應(yīng)變數(shù)據(jù)線性較好，與理論值較接近，真實(shí)地反映了測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變與載荷間的變化規(guī)律，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過確定數(shù)據(jù)區(qū)間，根據(jù)基于最小二乘法的線性回歸進(jìn)行線性擬合，得出截距并采用零點(diǎn)偏移數(shù)據(jù)處理方法，最終得到修正后的應(yīng)變數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，該方法修正了懸吊式靜力試驗(yàn)中因試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)重量、假件重量、加載設(shè)備及測(cè)試設(shè)備重量等因素對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果造成的影響。同時(shí)，該方法快速簡(jiǎn)易，在實(shí)際工程應(yīng)用中可操作性強(qiáng)，明顯提高了應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，今后可廣泛應(yīng)用于各類懸吊式靜力試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量中。

參考文獻(xiàn)：

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