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        水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

        2019-03-27 03:33:24何月洲
        工程與試驗(yàn) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:飛機(jī)

        張 柁,張 園,何月洲,王 海

        (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/疲勞重點(diǎn)試驗(yàn)室,陜西?西安?710065;?2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司,陜西?西安?710021)

        水陸兩棲飛機(jī)承載著森林滅火、海上救援等特殊作業(yè)任務(wù),需要頻繁地在水上降落,機(jī)身結(jié)構(gòu)為船體形狀,承受著船體撞擊的壓力和高速滑行時(shí)的水動(dòng)壓力。為了保證其在波浪水面上降落時(shí)機(jī)體結(jié)構(gòu)的安全性,著水載荷的精準(zhǔn)施加至關(guān)重要[1-2]。然而,由于機(jī)身船底水載荷作用區(qū)域結(jié)構(gòu)具有水箱口蓋、抑波板、舭彎、龍骨梁和斷階框等特殊結(jié)構(gòu),且船體表面為大面積復(fù)雜曲面,對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)[3-6]。

        本文以水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)為研究對(duì)象,從試驗(yàn)的支持方案、試驗(yàn)載荷處理、試驗(yàn)加載方法、試驗(yàn)結(jié)果分析等方面對(duì)船尾著水試驗(yàn)進(jìn)行研究,并提出一套完整的試驗(yàn)方案。

        1??試驗(yàn)方案

        1.1??試驗(yàn)支持

        根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB 67A.9-2009中“3.1.8 試驗(yàn)件支持”要求:“全機(jī)試驗(yàn)的約束點(diǎn)應(yīng)是靜定的”,“支持系統(tǒng)有空間使飛機(jī)自由變形和安裝試驗(yàn)加載設(shè)備”,“支持系統(tǒng)應(yīng)滿足試驗(yàn)要求的強(qiáng)度和剛度”。目前,國(guó)內(nèi)全機(jī)靜力試驗(yàn)普遍采用六自由度靜定約束?;谏鲜隹紤],水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)選用前起落架和左右主起落架作為主要垂向約束部位,限制試驗(yàn)機(jī)垂向剛體位移和俯仰、滾轉(zhuǎn)自由度。

        試驗(yàn)支持定義如下:在前起落架、左右主起落架約束垂直方向線位移,這3個(gè)約束點(diǎn)可提供垂向、俯仰和滾轉(zhuǎn)約束。在左、右主起落架航向各布置1點(diǎn),可提供航向和偏航約束。在左主起落架布置側(cè)向約束點(diǎn),可提供側(cè)向約束。在此支持狀態(tài)下,飛機(jī)呈靜定約束,試驗(yàn)支持示意圖見圖1,約束點(diǎn)設(shè)置詳見表1。

        圖1 水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)支持示意圖

        1.2??載荷處理

        水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)載荷包括機(jī)身載荷、機(jī)翼載荷、平尾載荷、水載荷、短艙氣動(dòng)和慣性載荷。

        載荷處理依據(jù)以下原則進(jìn)行:

        (1)在保證總載荷、總壓心不變的前提下,盡可能保證考核區(qū)域的受力真實(shí),對(duì)試驗(yàn)中非考核結(jié)構(gòu)部位的試驗(yàn)載荷可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化;

        (2)載荷簡(jiǎn)化不影響局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考核,也不應(yīng)導(dǎo)致非考核部位出現(xiàn)非正常的永久性變形或破壞,處理后載荷對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響盡可能小。

        表1 約束點(diǎn)設(shè)置

        1.3??加載方法

        機(jī)翼垂向載荷、平尾垂向載荷、機(jī)身垂向載荷、機(jī)身航向載荷主要采用膠布帶—杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載,膠布帶—杠桿系統(tǒng)加載示意圖如圖2所示。

        圖2 膠布帶—杠桿系統(tǒng)加載示意圖

        發(fā)動(dòng)機(jī)載荷采用發(fā)動(dòng)機(jī)假件接頭進(jìn)行加載,發(fā)動(dòng)機(jī)假件及其接頭如圖3所示。

        圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)假件及其接頭

        根據(jù)運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)(CCAR-25-R4)中第25.533條的要求,水載荷加載面積應(yīng)盡可能大地覆蓋水載荷作用區(qū)域,并要求以連續(xù)均勻的分布載荷形式施加。傳統(tǒng)的膠布帶杠桿、拉壓墊杠桿等加載方法主要施加節(jié)點(diǎn)載荷,無法實(shí)現(xiàn)均勻連續(xù)加載。對(duì)于全機(jī)狀態(tài)下的水載荷試驗(yàn),由于存在較大的剛體位移,在部件情況下的氣囊加載技術(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜。均勻連續(xù)加載特性比較好的氣囊加載技術(shù)由于無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)比較大的剛體位移和變形,設(shè)計(jì)難度增加,無法適應(yīng)水載荷加載需求。另外,考慮到機(jī)身船體存在抑波板(槽)、舭彎、龍骨、斷階框、水箱口蓋等特殊結(jié)構(gòu),載荷量級(jí)大,加載面積大等因素,機(jī)身水載荷采用加載塊—杠桿系統(tǒng)進(jìn)行加載。水載荷加載塊—杠桿系統(tǒng)如圖4所示。

        圖4 水載荷加載塊—杠桿系統(tǒng)示意圖

        1.4??試驗(yàn)控制系統(tǒng)

        試驗(yàn)加載控制設(shè)備使用FlexTest 200協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)誤差不大于1%FS(FS為滿量程),可以滿足任務(wù)書對(duì)加載誤差的要求,即相對(duì)每一級(jí)載荷值,均滿足:

        (1)各加載點(diǎn)協(xié)調(diào)加載;

        (2)加載點(diǎn)動(dòng)態(tài)誤差≤3%Pmax(Pmax為該點(diǎn)最大載荷值);

        (3)加載點(diǎn)靜態(tài)誤差≤1%Pmax;

        (4)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)保存加載系統(tǒng)保護(hù)前后各10s的載荷數(shù)據(jù)。

        試驗(yàn)前應(yīng)確認(rèn)加載控制系統(tǒng)的安全保證措施能夠良好運(yùn)行,按要求設(shè)置好各種保護(hù)值:

        (1)加載協(xié)調(diào)性,為保證試驗(yàn)加載的協(xié)調(diào)性,需設(shè)置靜、動(dòng)踏步的誤差,動(dòng)踏步誤差設(shè)為3%Pmax,靜踏步誤差設(shè)為1%Pmax。

        (2)超差保護(hù),設(shè)置EDⅠ和EDⅡ兩個(gè)超差保護(hù)限,EDⅠ設(shè)為3%FS,超差延時(shí)2s,系統(tǒng)報(bào)警;EDⅡ設(shè)為5%FS,超差延時(shí)2s,加載系統(tǒng)卸載。

        (3)超限保護(hù),Limit限設(shè)為Pmax+10%Pmax(如果10%Pmax<5kN,按5kN),超限自動(dòng)卸載,參見圖5。

        (4)故障數(shù)據(jù)回收,F(xiàn)lexTest 200加載控制系統(tǒng)設(shè)置為記錄故障卸載前10s和卸載后10s的應(yīng)急卸載控制數(shù)據(jù)。

        圖5 控制系統(tǒng)保護(hù)示意圖

        1.5??試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用HBM、ST18-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),能對(duì)應(yīng)變、位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集,在采集過程中可對(duì)選定的重要通道實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、曲線。

        (1)應(yīng)變片采用BE系列A級(jí)應(yīng)變片;

        (2)位移傳感器采用電流型拉繩式位移傳感器,允許誤差小于或等于0.5%FS;

        (3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量誤差不大于1%FS,滿足任務(wù)書對(duì)測(cè)量精度的要求。

        本項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)量包括應(yīng)變測(cè)量和位移測(cè)量,應(yīng)變測(cè)量10736片,位移測(cè)量點(diǎn)81個(gè)。

        2??試驗(yàn)程序

        限制載荷靜力試驗(yàn)按以下程序進(jìn)行:

        (1)各崗位完成所負(fù)責(zé)的設(shè)備、儀器、儀表的檢查和維護(hù)并報(bào)告指揮;

        (2)加壓進(jìn)扣重波段,并檢查油路、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、加載設(shè)備是否正常;

        (3)以5%為一級(jí),逐級(jí)加載至20%極限載荷,保載;

        (4)檢查設(shè)備;

        (5)以5%為一級(jí),逐級(jí)加載至40%極限載荷,保載;

        (6)檢查設(shè)備,確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常;

        (7)以5%為一級(jí),繼續(xù)加載至65%極限載荷;

        (8)以2%為一級(jí),繼續(xù)加載至67%極限載荷,保載30s;

        (9)以7%為一級(jí),卸載至60%極限載荷;

        (10)以10%為一級(jí),逐級(jí)卸載至初始波段,保載3min再次測(cè)量后卸壓;

        (11)在試驗(yàn)過程中,逐級(jí)測(cè)量應(yīng)變、位移,并全程錄像;

        (12)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行全面的檢查,并填寫試驗(yàn)變形檢查記錄表;

        (13)試驗(yàn)結(jié)束后,將資料存盤,及時(shí)歸檔。

        3??試驗(yàn)結(jié)果

        水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖6。

        圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

        3.1??試驗(yàn)加載結(jié)果

        67%極限載荷試驗(yàn)結(jié)束后,機(jī)房對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回收,根據(jù)各加載點(diǎn)命令值和反饋值,得到各加載點(diǎn)的加載百分比,水載荷加載點(diǎn)加載結(jié)果見表2。從表2中可以看出,力控加載點(diǎn)誤差不超過1%Pmax,滿足試驗(yàn)大綱和任務(wù)書要求。

        表2 船尾著水試驗(yàn)加載結(jié)果

        加載到67%極限載荷狀態(tài)下,約束點(diǎn)實(shí)際反饋值與理論值比較見表3,表3中載荷為保載30s結(jié)束時(shí)反饋值。表中數(shù)據(jù)表明,約束點(diǎn)載荷誤差均小于8000N,滿足試驗(yàn)大綱要求。

        表3 船尾著水試驗(yàn)約束點(diǎn)載荷及誤差。

        3.2??試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

        試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)包括應(yīng)變數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)。

        3.2.1??應(yīng)變數(shù)據(jù)處理方法

        (1)剔除失效測(cè)量點(diǎn)。剔除無線性、異常跳動(dòng)等應(yīng)變數(shù)據(jù)。

        (2)金屬材料應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力數(shù)據(jù)。

        ①單應(yīng)變轉(zhuǎn)換應(yīng)力方法:

        其中:σ為單應(yīng)力;E為彈性模量;ε為單片應(yīng)變值。

        ②應(yīng)變叢轉(zhuǎn)換主應(yīng)力方法:

        其中:σ1為最大主應(yīng)力;σ2為最小主應(yīng)力;E為彈性模量;μ為泊松比;ε0、ε45、ε90為應(yīng)變叢3個(gè)方向的應(yīng)變值。

        (3)繪制部分應(yīng)變—載荷曲線。

        應(yīng)變—載荷曲線:橫坐標(biāo)為載荷百分?jǐn)?shù),縱坐標(biāo)為應(yīng)變值。

        3.2.2??位移數(shù)據(jù)處理方法

        (1)剔除失效測(cè)量點(diǎn)。剔除試驗(yàn)中由于異常干擾產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)。

        (2)繪制部分位移—載荷曲線。位移—載荷曲線:橫坐標(biāo)為載荷百分?jǐn)?shù),縱坐標(biāo)為位移值。

        3.2.3??應(yīng)變數(shù)據(jù)線性分析

        水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)部分應(yīng)變片應(yīng)變—載荷曲線見圖7~圖9。綜上,該試驗(yàn)主要考核部位上應(yīng)變—載荷曲線線性較好。

        圖7 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)外翼壁板應(yīng)變—載荷曲線

        通過應(yīng)變數(shù)據(jù)重復(fù)性分析和線性分析,可以得出結(jié)論:本次試驗(yàn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)是有效的。

        圖8 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)中央翼壁板應(yīng)變—載荷曲線

        圖9 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)中央翼前梁應(yīng)變—載荷曲線

        3.2.4??位移數(shù)據(jù)線性分析

        水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn)部分位移點(diǎn)位移-載荷曲線見圖10~圖12。由圖可知,機(jī)翼位移—載荷曲線線性較好。

        圖10 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)右機(jī)翼位移—載荷曲線

        通過位移數(shù)據(jù)重復(fù)性分析和線性分析,由此可以得出結(jié)論:本次試驗(yàn)的位移數(shù)據(jù)是有效的。

        4??結(jié)論

        圖11 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)左機(jī)翼位移—載荷曲線

        圖12 船尾著水工況限制載荷靜力試驗(yàn)機(jī)身位移—載荷曲線

        針對(duì)水陸兩棲飛機(jī)船尾著水試驗(yàn),提出了一種船尾著水試驗(yàn)技術(shù),并順利完成了強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,載荷施加準(zhǔn)確,試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。試驗(yàn)的順利完成,表明試驗(yàn)支持方案、試驗(yàn)載荷處理、試驗(yàn)加載方法等合理、科學(xué),試驗(yàn)加載系統(tǒng)可靠,為其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)提供參考。

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