張清勇

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

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，采用合理先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備是試驗(yàn)高質(zhì)量完成的前提和保證。按照任務(wù)書(shū)要求，精心設(shè)計(jì)并通過(guò)主動(dòng)加載方法施加給被考核結(jié)構(gòu)，主要考核部位有機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、起落架等。對(duì)于機(jī)翼等考核向上載荷較大的結(jié)構(gòu)而言，采用龍門(mén)架加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向上加載[1-2]。龍門(mén)架加載系統(tǒng)具有承載能力大、安裝方便的優(yōu)勢(shì)，且能夠覆蓋更多的加載點(diǎn)，對(duì)于飛機(jī)全機(jī)試驗(yàn)有著非常良好的積極作用。

1 設(shè)計(jì)思路

龍門(mén)架加載系統(tǒng)一般分左右對(duì)稱(chēng)布置，主要包括龍門(mén)架立柱和橫梁，布置如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中，將龍門(mén)架加載系統(tǒng)作為向上加載點(diǎn)的承載基礎(chǔ)，其中的橫梁作為一級(jí)梁，再根據(jù)各試驗(yàn)情況加載點(diǎn)位置不同，設(shè)計(jì)二級(jí)梁搭接在一級(jí)梁上，龍門(mén)架立柱和橫梁均必須具有足夠的安全系數(shù)[3-5]。

圖1 ??龍門(mén)架加載系統(tǒng)

在龍門(mén)架加載系統(tǒng)應(yīng)用之前，必須對(duì)龍門(mén)架加載系統(tǒng)所有結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保所有裝置必須滿足承載需求，保證試驗(yàn)件的安全。

龍門(mén)架加載系統(tǒng)中，龍門(mén)架立柱、橫梁采用鋼板與型材組合焊接而成，其材料均選用Q235，材料的屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，彈性模量E=210 GPa。

2 強(qiáng)度校核

根據(jù)試驗(yàn)要求，龍門(mén)架加載系統(tǒng)需要承載80 t載荷，結(jié)合試驗(yàn)件安裝高度、試驗(yàn)件尺寸和試驗(yàn)加載設(shè)備尺寸等因素，龍門(mén)架立柱高度設(shè)計(jì)為12 m，橫梁總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為11 m。龍門(mén)架加載系統(tǒng)尺寸如圖2所示。

圖2 ??龍門(mén)架加載系統(tǒng)尺寸

2.1 龍門(mén)架立柱校核

所設(shè)計(jì)龍門(mén)架立柱截面如圖3所示。其中1為20號(hào)角鋼，2和3均為568 mm×20 mm鋼板。

圖3 ??龍門(mén)架立柱截面圖

（1）強(qiáng)度計(jì)算

龍門(mén)立柱截面面積為：

式（1）中：A1為1號(hào)件的截面積，A2為2號(hào)件的截面積，A3為3號(hào)件的截面積。

每個(gè)龍門(mén)架立柱最大極限載荷F=80 t，按4倍安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

式（2）中：F為龍門(mén)架承載載荷，A為龍門(mén)架截面積，[σ]為材料許用應(yīng)力，σs為材料屈服強(qiáng)度。

根據(jù)式（3）結(jié)果得知結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（2）穩(wěn)定性計(jì)算

龍門(mén)架立柱截面對(duì)稱(chēng)，對(duì)于x軸和y軸的慣性矩相等，故按Ix計(jì)算。

圖3中1為20號(hào)角鋼，其對(duì)于重心的慣性矩為Ix0=2867.3 cm4，截面面積為A1=76.505 cm2，重心距角鋼下邊緣距離為56.9 mm，其重心距x軸距離為x1=268.1 mm。

角鋼對(duì)于x軸的慣性矩為：

2和3可近似認(rèn)為組成為方形框架，可對(duì)其整體計(jì)算慣性矩。

其慣性矩為：

式（5）中：a為2和3組成的方形框架外側(cè)尺寸，b為2和3組成的方形框架內(nèi)側(cè)尺寸。

橫截面總的慣性矩為：

按一端固定，一端自由計(jì)算，長(zhǎng)度系數(shù)μ=2，梁高度L=12 m。

臨界壓力：

系統(tǒng)安全系數(shù)要求按nst=4計(jì)算，則根據(jù)龍門(mén)架立柱所能承受的最大壓力校核結(jié)果為：

工作系數(shù)大于安全系數(shù)，合格。

2.2 橫梁校核

圖 4??橫梁截面圖

近似認(rèn)為其重心在截面中心位置，求每一部分對(duì)x軸的慣性矩：

式（9）中：b1為1號(hào)件邊長(zhǎng)，A1為1號(hào)件截面積，lx1為1號(hào)件重心距x軸的偏移距離。

式（10）中：b2和h2分別為2號(hào)件邊長(zhǎng)，A2為2號(hào)件截面積，lx2為2號(hào)件重心距整個(gè)截面重心的偏移距離。

式（11）中：b3和h3分別為3號(hào)件邊長(zhǎng)。

式（12）中：b4和h4分別為4號(hào)件邊長(zhǎng)，A4為4號(hào)件截面積，lx4為4號(hào)件重心距x軸的偏移距離。

總截面慣性矩：

式（14）中：ymax為截面最遠(yuǎn)點(diǎn)距x軸的距離，

載荷在橫梁最中間時(shí)，梁中間所受彎矩最大，其彎矩為：

式（17）中：[σ]為材料許用應(yīng)力，σs為材料屈服強(qiáng)度。

由式（17）可知橫梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3 結(jié)????論

依據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了龍門(mén)架加載系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了強(qiáng)度校核，滿足試驗(yàn)要求。所設(shè)計(jì)的龍門(mén)架加載系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行，為今后同類(lèi)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。