郭 瓊，鄭建軍，劉 瑋

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所?全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西?西安?710065）

全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)是在試驗(yàn)室環(huán)境下，通過對真實(shí)結(jié)構(gòu)施加外載的方式，模擬飛機(jī)在使用中可能遇到的受載情況。通過測量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（如應(yīng)力、變形、轉(zhuǎn)角、位移），驗(yàn)證設(shè)計(jì)分析模型是否正確，考核設(shè)計(jì)要求是否達(dá)到，是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)最接近真實(shí)的驗(yàn)證，對于型號的研制和定型具有非常重要的意義。機(jī)翼作為飛機(jī)上用以產(chǎn)生升力的重要部件，是飛機(jī)主要的承載部件。通過機(jī)翼結(jié)構(gòu)承載能力試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)改型和發(fā)展具有重要意義。靜力試驗(yàn)載荷通常依據(jù)有限元結(jié)果經(jīng)過簡單處理給出，試驗(yàn)中要經(jīng)過載荷簡化處理，變?yōu)樵囼?yàn)可施加載荷。因此，確保機(jī)翼載荷的精確等效和高效施加是試驗(yàn)中一項(xiàng)重要工作。

目前，相關(guān)研究主要集中在機(jī)翼大變形情況的載荷處理和加載方法[1-4]，機(jī)翼載荷施加裝置的相關(guān)研究較少，以疲勞試驗(yàn)中用到硬式加載系統(tǒng)或者接頭加載為主[5-7]。然而，膠布帶作為試驗(yàn)中的一種施加單元，通過杠桿組裝形成加載模塊，可以高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分布載荷的施加。因此，考慮到成本、試驗(yàn)效率、便捷性等多方面因素，大型客機(jī)靜力試驗(yàn)中機(jī)翼加載一般以膠布帶-杠桿系統(tǒng)為主。機(jī)翼膠布帶加載節(jié)點(diǎn)布置是飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)設(shè)計(jì)中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，其布置的合理性對試驗(yàn)加載精度具有較大影響。鑒于目前靜力試驗(yàn)中膠布帶加載的相關(guān)研究較少，本文針對機(jī)翼翼面受載復(fù)雜、載荷施加精度要求高等問題，重點(diǎn)研究了試驗(yàn)中滿足眾多試驗(yàn)工況的翼面膠布帶設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)載荷的高精度、高效率施加，旨在進(jìn)一步提高機(jī)翼復(fù)雜載荷的處理及施加精度，同時(shí)提升膠布帶使用效率。

1 機(jī)翼膠布帶輕量模塊化設(shè)計(jì)

全機(jī)靜力試驗(yàn)中機(jī)翼膠布帶大多數(shù)均布置在長桁與肋交點(diǎn)處，長軸方向平行于機(jī)翼翼梁。這樣的布置帶來了兩個(gè)問題：一是膠布帶數(shù)量龐大，粘貼工作量大，膠布帶使用效率低，翼面膠布帶覆蓋空間大，給機(jī)翼翼面測量點(diǎn)布置及測量線走線帶來困難，試驗(yàn)后的可檢面積減少；二是在機(jī)翼大變形試驗(yàn)加載過程中，由于加載方向和膠布帶長軸不垂直，存在膠布帶脫落風(fēng)險(xiǎn)。針對上述問題，本文提出了一種雙梁式膠布帶輕量模塊化加載方法，具體方案流程圖如圖1所示。

圖1 ??具體方案流程示意

依據(jù)流程圖，膠布帶布置方案主要包含以下內(nèi)容。

（1）篩選載荷，組合設(shè)計(jì)工況：以機(jī)翼各肋與前后梁交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)書中所有工況試驗(yàn)載荷篩選出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大載荷，構(gòu)造一個(gè)新的“設(shè)計(jì)工況”。

（2）膠布帶數(shù)量確認(rèn)：依據(jù)設(shè)計(jì)工況載荷，假設(shè)每塊膠布均勻受力且達(dá)到最大承載能力，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)處所需的膠布帶塊數(shù)n=F/fmax。式中，fmax為對應(yīng)膠布帶最大承載能力，F(xiàn)為“設(shè)計(jì)工況”中該節(jié)點(diǎn)處載荷。

（3）膠布帶布置方案：依據(jù)結(jié)構(gòu)形式，所有膠布帶長軸方向均與肋平行，沿機(jī)翼前后梁一字排開。

（4）計(jì)算加載模塊合力點(diǎn)：根據(jù)各肋前、后梁膠布帶位置及載荷，計(jì)算該肋前梁合力點(diǎn)、后梁合力點(diǎn)。

（5）載荷等效計(jì)算：選擇一種載荷等效算法，將每一個(gè)全機(jī)工況載荷重新分配到膠布帶合力中心，等效過程盡量保證每個(gè)肋載荷和原始載荷誤差最小。

（6）承載是否滿足要求：根據(jù)等效載荷大小判斷每塊膠布帶載荷是否在承載能力范圍之內(nèi)，同時(shí)判斷結(jié)構(gòu)的局部承載能力是否滿足要求；通過多次循環(huán)最終完成機(jī)翼膠布帶設(shè)計(jì)。

（7）模塊化杠桿組合：將每個(gè)肋合力點(diǎn)膠布帶通過通用輔助杠桿模塊化，使其變?yōu)橐粋€(gè)整體加載模塊，以此為最小單位用于后續(xù)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)工作。

2 某大型客機(jī)機(jī)翼膠布加載方案

依據(jù)上述方案，實(shí)現(xiàn)了某大型客機(jī)機(jī)翼膠布帶及模塊化加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)。原始載荷合力點(diǎn)為翼盒前后梁與肋交點(diǎn)，每個(gè)合力點(diǎn)有3個(gè)方向載荷，垂向載荷由機(jī)翼膠布帶承載。膠布帶布置盡可能靠近前后梁一字排開，試驗(yàn)中載荷通過膠布帶直接傳至機(jī)翼主梁；對載荷方向和加載過程配置優(yōu)化，膠布帶長軸方向與肋線平行，確保試驗(yàn)過程中加載方向始終與膠布帶長軸垂直。

載荷等效計(jì)算采用相鄰肋完全等效方法，將所有誤差在相鄰兩個(gè)肋之間消除。如圖2所示，圖中A、B、C、D分別為4個(gè)加載模塊合力點(diǎn)；以合力點(diǎn)載荷和原始前后肋載荷誤差最小為目標(biāo)函數(shù)，滿足垂向載荷合力點(diǎn)和載荷大小不變的基礎(chǔ)上求解合力點(diǎn)最優(yōu)載荷，是一個(gè)典型的多變量等式約束優(yōu)化問題。

圖2 ??載荷等效方案示意圖

載荷等效的目標(biāo)函數(shù)見式（1），不等式約束見式（2）～（4），通過Matlab編程求解得目標(biāo)函數(shù)。

設(shè)計(jì)完成的機(jī)翼膠布帶示意圖見圖3，最小化模塊加載示意圖見圖4。與以往同類型號機(jī)翼膠布帶加載方案比較，有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）膠布帶數(shù)量和載荷等效計(jì)算過程依靠程序自動化完成，設(shè)計(jì)工作高效、高準(zhǔn)確率；

（2）機(jī)翼膠布帶數(shù)量減少了近40%，大量降低了實(shí)施工作量，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間和成本；

（3）將膠布帶通過輔助杠桿模塊化，不同工況設(shè)計(jì)只需要少量聯(lián)合杠桿重構(gòu)即可完成加載點(diǎn)設(shè)計(jì)，大大降低了后期試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工作量；

（4）減少了載荷處理的中間過程，輔助杠桿末端合力點(diǎn)靠近機(jī)翼前后梁，使得試驗(yàn)施加載荷更為準(zhǔn)確，機(jī)翼受載與傳力更加真實(shí)，同時(shí)為機(jī)翼主翼面留出足夠的空間粘貼應(yīng)變片和結(jié)構(gòu)檢測。

圖3 ??一種大型民機(jī)機(jī)翼膠布帶布置示意圖

圖4 ??模塊化加載單元示意圖

3 總????結(jié)

本文提出了一種大型客機(jī)全機(jī)靜力試驗(yàn)中機(jī)翼膠布帶及模塊化加載裝置設(shè)計(jì)方法，解決了長翼展大展弦比機(jī)翼表面膠布帶覆蓋面積大、膠布帶粘貼工作量大、膠布帶使用效率低、機(jī)翼大變形存在拉脫風(fēng)險(xiǎn)的問題，使機(jī)翼受載與傳力更加準(zhǔn)確，為機(jī)翼主翼面留出足夠的空間粘貼應(yīng)變片監(jiān)測機(jī)翼的傳力情況，使翼面干凈整潔，方便現(xiàn)場安裝與檢查。同時(shí)，模塊化杠桿設(shè)計(jì)大大縮短了試驗(yàn)設(shè)計(jì)周期，為試驗(yàn)的開展節(jié)省了大量時(shí)間。