張園麗

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

攔阻鉤是一種安裝在飛機尾部的攔阻裝置，其作用是使高速飛行的艦載機在艦船甲板上有限的飛行距離內(nèi)順利著陸，這就需要攔阻裝置對飛機產(chǎn)生的減速度不能對飛機的結(jié)構(gòu)強度及飛行員造成傷害，且能吸收大量能量而不破壞。因此，攔阻鉤的強度對艦載機著艦安全至關(guān)重要。攔阻鉤靜強度試驗是攔阻鉤強度考核的一項必要試驗，由于其試驗載荷大、加載和約束空間狹小，這對試驗設(shè)計提出了較高要求。

目前，國內(nèi)外對攔阻鉤系統(tǒng)的研究已取得了較為成熟的技術(shù)成果，在攔阻鉤的研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域形成了相關(guān)的規(guī)范性文件[4]，但是在地面試驗中仍需要進行大量的驗證和測試。本文通過對雙緩沖器雙桿式攔阻鉤的相關(guān)參數(shù)進行分析計算，得出了試驗的最大載荷與試驗件結(jié)構(gòu)及夾具之間的關(guān)系，形成了適用于工程試驗的攔阻鉤靜強度試驗設(shè)計與分析方法。

2 試驗工況

綜合分析艦載機著艦時攔阻鉤的運動狀態(tài)(見圖1)及攔阻系統(tǒng)總體設(shè)計的參數(shù)，進行地面研發(fā)試驗時，常對攔阻鉤受力的兩種極限情況進行考核，一種為垂向彎矩工況，一種為偏心偏航攔阻工況。

圖1 著艦時攔阻鉤運動軌跡

偏心偏航攔阻工況為艦載機拉緊攔阻索，與正向跑道中心線成最大偏角的情況。此工況由于兩側(cè)攔阻索的拉力不等，對攔阻鉤產(chǎn)生一個側(cè)向攔阻的載荷。工程試驗中對其進行極限考核，忽略緩沖器的側(cè)向攔阻作用，攔阻鉤的鉤頭偏轉(zhuǎn)至最大偏角，攔阻載荷力線與攔阻鉤的鉤桿在同一平面，對攔阻鉤的抗拉能力進行考核。

垂向彎矩工況多為艦載機攔阻鉤觸艦或與甲板碰撞階段，此階段攔阻鉤與艦面或鋼索正向碰觸，攔阻鉤繞機身鉸接點轉(zhuǎn)動。工程試驗中選取垂向最大彎矩的臨界條件，將攔阻鉤與機身連接部位和緩沖器連接的部位定為固支約束，在攔阻鉤中心線的鉤喉處施加垂向載荷，對攔阻鉤的抗彎能力進行考核。

3 偏心偏航攔阻工況試驗設(shè)計

3.1 偏心偏航攔阻工況的加載夾具設(shè)計

偏心偏航攔阻工況對加載夾具的強度要求比較高，此時施加在鉤喉上的平面載荷最大，對試驗件的結(jié)構(gòu)考核最嚴重，所以需要根據(jù)鉤喉的參數(shù)來設(shè)計加載夾具。

影響加載夾具強度的主要因素為加載夾具的承力截面及材料特性。在常規(guī)試驗中，常用的加載夾具材料為鋼索、Q235、Q345、30CrMnSiA、30CrMnsini2A、300M，承力截面(A)主要由鉤喉半徑(R)、鉤中心線與鉤內(nèi)壁的角度(θ)、鉤喉下平面寬(d)、鉤中心線與鉤喉下平面間距(a)、鉤中心線與鉤喉邊緣間距(b)決定，其中a>b，如圖2所示。

圖 2 攔阻鉤鉤喉及夾具截面示意圖

加載夾具的最大承力截面的面積Amax可通過圖2中攔阻鉤的鉤頭參數(shù)求得。合理設(shè)計夾具的受力截面參數(shù)，使Amin

3.2 偏心偏航攔阻工況的支持夾具設(shè)計

飛機攔阻鉤裝置規(guī)范(HB 6648-92)要求攔阻鉤鉤頭可轉(zhuǎn)，忽略緩沖器對攔阻鉤的支撐作用，夾具載荷(F1、F2)與試驗載荷(F)之間的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)平面內(nèi)力平衡條件，推導(dǎo)出夾具的受載情況：

圖3 攔阻鉤承載示意圖

選定合適的材料，合理設(shè)計圖4中的夾具參數(shù)(Φ、R、h、h1)，用第一強度理論公式計算F1對夾具的拉應(yīng)力及彎應(yīng)力，使其小于許用應(yīng)力即可。

圖 4 夾具參數(shù)

4 垂向彎矩工況試驗設(shè)計

4.1 垂向彎矩工況的加載夾具設(shè)計

同偏心偏航攔阻工況的加載夾具一致，根據(jù)鉤喉參數(shù)設(shè)計合適的加載夾具截面，計算夾具應(yīng)力小于許用應(yīng)力(σ許)即可。

4.2 垂向彎矩工況的支持夾具設(shè)計

垂向彎矩工況的支持方式是將攔阻鉤與機身連接部位和緩沖器連接的部位固支，在攔阻鉤中心線的鉤喉處施加垂向載荷，對攔阻鉤的抗彎能力進行考核。此工況攔阻鉤的受力示意圖見圖5。

圖 5 攔阻鉤承載示意圖

合理設(shè)計夾具的參數(shù)(Φ、R、h)，用彎應(yīng)力和強度理論公式計算試驗載荷F對夾具的拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力，使其滿足設(shè)計條件即可。

5 試驗中的應(yīng)用

依托某型飛機部件地面試驗研發(fā)需求，對其雙緩沖器雙桿式攔阻鉤傳力特性、承載能力進行摸底，驗證試驗件強度計算方法的合理性。

整理資料，總結(jié)已知條件：鉤喉最大可加載截面面積Amax=1596mm2；最大偏航偏心載荷F偏=1138710N；最大垂向彎矩載荷F垂=42195N；偏航偏心角度α=15.7°；鉤桿與飛機對稱剖面角度β=15°；緩沖器與鉤桿角度θ=40°；鉤喉到緩沖器接頭在鉤桿平面內(nèi)間距L=2596mm。

試驗件的鉤喉、與機身連接的接頭、與緩沖器連接的接頭限定了承力的夾具截面，故應(yīng)盡可能在避免安裝干涉的情況下增大夾具的受力截面。

試驗中按相關(guān)參數(shù)設(shè)計截面，各部位關(guān)鍵尺寸如下：與機身接頭連接的約束夾具Φ1=39.6mm，R1=50mm，h1=45mm；與緩沖器連接的約束夾具Φ2=25mm，R2=50mm，h2=40mm；最大偏心偏航攔阻工況的加載夾具截面面積A偏=1450mm2；最大垂向彎矩工況的加載夾具的截面面積A垂=230mm2。

經(jīng)過分析，與機身接頭連接的約束夾具在試驗中主要承受拉應(yīng)力，計算其承受的最大拉應(yīng)力：

選用許用應(yīng)力值為792MPa的300鋼材料。

與雙緩沖器接頭連接的約束夾具在試驗中主要承受拉應(yīng)力，計算最大應(yīng)力：

可選用許應(yīng)力值為160MPa的Q235鋼材。

最大偏心偏航攔阻工況的加載夾具在試驗中主要承受拉應(yīng)力，計算得最大應(yīng)力：

選用許用應(yīng)力值為792MPa的300鋼材料。

最大垂向彎矩工況的加載夾具在試驗中主要承受拉應(yīng)力，計算得最大應(yīng)力：

可選用許用應(yīng)力值為200MPa的Q345鋼材。

6 結(jié) 論

本文針對攔阻鉤靜強度試驗的兩種典型工況進行了分析研究，根據(jù)最大試驗載荷及試驗件相關(guān)參數(shù)，通過合理設(shè)計加載、支持夾具，使夾具具有足夠強度，確保了試驗的順利實施。在極限載荷試驗時，試驗夾具的安全系數(shù)應(yīng)大于2.5，研究性試驗通過風(fēng)險評估可適當(dāng)降低安全系數(shù)要求。