陳慶童,楊廣根,王 宇

(中國直升機設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

起落架作為直升機的關(guān)鍵部位,對飛行安全有重要影響,是直升機設(shè)計和分析的關(guān)鍵[1]。適航規(guī)章對起落架靜強度試驗有明確的要求[2],在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中也有具體的試驗要求。傳統(tǒng)的起落架靜強度試驗,一般是采用電阻應(yīng)變片測量方法實現(xiàn)起落架靜強度試驗的應(yīng)變測量。傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片測量方法中,粘貼、走線布線以及組橋等步驟均耗費大量人力物力和時間;另外也容易受到外界環(huán)境(如溫度、濕度、電磁)等干擾因素的影響;且一個通道只能連接一片應(yīng)變片用于單點測量,測量時需接大量的導(dǎo)線,較為繁瑣。

與傳統(tǒng)電阻應(yīng)變測試方法相比,光纖光柵傳感技術(shù)[3-5]的優(yōu)點在于:①抗電磁干擾,傳輸距離遠(yuǎn);②多個不同類型的傳感器可以在一條光纖上串接復(fù)用,增加了系統(tǒng)容量;③更少的連接線,因此會對測試物體產(chǎn)生更少的干擾;④光纖集傳感和傳輸于一身,光纖上任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道,可進行空間上的連續(xù)檢測,一次測量就可以獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖,如果將光纖布設(shè)成網(wǎng)狀,就可以得到被測量的二維和三維分布情況。

本文先進行光纖光柵應(yīng)變基礎(chǔ)研究,將其研究結(jié)果應(yīng)用到對起落架靜強度試驗的應(yīng)變測量,并且與傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片和仿真計算結(jié)果進行對比分析,進而評價所提出方法的有效性。

1 光纖光柵應(yīng)變測試原理

光纖光柵測試是一種新型的應(yīng)變測試方法,通過測量Bragg波長的偏移來實現(xiàn)試驗對象應(yīng)變的測量。一束寬帶光入射到光纖光柵中,反射光波長λB為[3]

λB=2neffΛ

(1)

式中,Λ為光柵周期;neff為光纖纖芯的有效折射率。

光柵僅受載荷影響時,應(yīng)變與波長偏移量關(guān)系[4]為

(2)

式中,ΔλB為波長偏移量:K為應(yīng)變靈敏度:Pε為光纖的有效彈光系數(shù)。

光柵僅受溫度影響時,溫度與波長偏移量關(guān)系[3]為

(3)

式中,α為光纖熱膨脹系數(shù);η為光纖的熱光系數(shù);ΔT為被測物體溫度變化量。

將光纖光柵粘貼在物體表面測量應(yīng)變時,光纖受到外載荷和溫度的共同作用,波長改變量為

(4)

被測物體在外載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?/p>

(5)

2 光纖光柵應(yīng)變基礎(chǔ)

2.1 等強度梁結(jié)構(gòu)試驗

為進行光纖光柵應(yīng)變基礎(chǔ)研究,以等強度梁結(jié)構(gòu)為研究對象。

將等強度梁一端固定約束在試驗臺架上,并在等強度梁的另一端施加一個集中力,加載示意如圖1所示。本試驗采用砝碼加載,載荷從0 kg以7 kg為遞增單位加到35 kg,加載過程中同步記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)。等強度梁尺寸見圖2,光纖光柵應(yīng)變片粘貼見圖3。

圖1 標(biāo)定試驗加載示意圖

圖2 等強度梁尺寸示意圖

圖3 等強度梁應(yīng)變片位置圖

2.2 粘貼劑的選取

對粘貼劑的固化環(huán)境、固化時間、線性度、回零、附著力和耐高低溫進行測試。

等強度梁試驗得出不同的粘貼劑試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 膠粘劑試驗數(shù)據(jù)

通過圖4我們可以看出,535ND、天山805線性度較好。

圖4 載荷與波長的曲線圖

通過試驗對粘接劑的性能和適用性進行了分析及測試,粘接劑的測試情況總結(jié)如表2所示。

表2 粘接劑測試情況

經(jīng)過測試,根據(jù)固化條件、固化時間、線性度、回零、附著力和耐高低溫等條件,最終選定了天山805膠,此膠在其他航空領(lǐng)域也已有應(yīng)用。

2.3 光纖光柵的標(biāo)定

由于光纖光柵測出的是波長,因此需要對同一批次的光纖光柵進行標(biāo)定,以測出波長與應(yīng)變之間的系數(shù)關(guān)系。通過等強度梁結(jié)構(gòu)試驗求出應(yīng)變與波長偏移量的關(guān)系,為光纖光柵傳感器在起落架靜強度試驗的應(yīng)用提出計算依據(jù)。

光纖光柵標(biāo)定試驗結(jié)果見表3。

表3 標(biāo)定試驗結(jié)果表

ΔλB與微應(yīng)變ε之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 ΔλB與微應(yīng)變ε之間的關(guān)系圖

3 起落架強度試驗應(yīng)用

3.1 試驗件及載荷狀態(tài)

為了驗證光纖光柵應(yīng)變測試方法在直升機結(jié)構(gòu)強度試驗方面的有效性,利用金屬起落架作為驗證對象,采用起落架金屬承力支柱一套,其中包括:外筒(45#鋼)、活塞桿(45#鋼)、大螺母、軸承、上腔底、下腔底、密封套筒、扭力臂(鋁)、撐桿(45#鋼)、堵油塞。起落架試驗載荷如表4所示。圖6為起落架結(jié)構(gòu)示意圖。

表4 試驗載荷

3.2 應(yīng)變測量點位置布置

為了驗證對比光纖光柵應(yīng)變測量與傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片測量的精度,在如圖7所示的起落架典型位置上布置3個應(yīng)變測量點,同時采用光纖光柵應(yīng)變測量及傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片測量應(yīng)變,并在每級載荷下記錄各位置的應(yīng)變值。圖8為扭力臂上光纖光柵測量點布置與傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片布置照片。

3.3 數(shù)值仿真計算

利用MSC.Natran軟件對金屬起落架進行受力分析。結(jié)構(gòu)采用四面體單元模擬;連接螺栓通過梁單元模擬,約束連接搖臂接頭XYZ三個方向平動和轉(zhuǎn)動;載荷通過RBE2加載到下面耳片上。圖9為網(wǎng)格劃分圖,圖10為起落架的數(shù)值仿真計算結(jié)果云圖。

3.4 強度試驗方案

試驗前先通過向起落架密封腔中注入15#航空液壓油,調(diào)整活塞桿的壓縮行程至36 mm;然后將試驗件安裝至試驗臺架上,按試驗要求設(shè)計能同時滿足x向及y向載荷的加載接頭。x向載荷通過立柱上的作動器直接施加;y向載荷利用杠桿通過可調(diào)式龍門架上的作動器施加。試驗安裝示意圖如圖11和圖12所示。

圖12 試驗現(xiàn)場試驗照片

3.5 試驗結(jié)果對比

按表4中的試驗載荷的10%的增量逐級協(xié)調(diào)加載至100%試驗載荷時,保載3 s,然后卸載至零。每級載荷下測量應(yīng)變值,并將試驗結(jié)果與數(shù)值仿真計算結(jié)果進行對比。表5為每級載荷下的光纖應(yīng)變測量結(jié)果、電阻式應(yīng)變片測量結(jié)果以及數(shù)值仿真計算結(jié)果。從表5可以看出,在滿載下光纖應(yīng)變與傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變結(jié)果幾乎一致,且與理論計算結(jié)果接近。但是在低載時,由于實際試驗可能存在安裝間隙或者試驗件部件配合間隙等原因,兩種應(yīng)變測量的所有結(jié)果與理論計算結(jié)果偏差都較大。

表5 試驗結(jié)果

圖13-圖15為應(yīng)變測量點各級載荷級數(shù)下的應(yīng)變測量結(jié)果。通過這三幅曲線圖可以看出,光纖應(yīng)變測量結(jié)果與傳統(tǒng)應(yīng)變測量結(jié)果趨勢以及應(yīng)變大小基本一致,其中的微小差距可能是由于光纖應(yīng)變測量和電阻應(yīng)變片測量的貼片位置稍有不同而造成的。從這三幅圖可以得出光纖應(yīng)變測量精度能滿足起落架靜強度試驗需求,可以應(yīng)用于起落架靜強度試驗。

圖13 測點1應(yīng)變結(jié)果

圖14 測點2應(yīng)變結(jié)果

圖15 測點3應(yīng)變結(jié)果

圖16為應(yīng)變測量點的光纖測量結(jié)果、電阻應(yīng)變片測量結(jié)果與數(shù)值仿真計算結(jié)果之間的相對誤差曲線圖。從該圖可以看出,在加載前期,三個測點的試驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果相對誤差均偏大,可能是由于實際試驗件的裝配關(guān)系和理論模型稍有不同,存在安裝間隙或裝配間隙,導(dǎo)致在加載前期相對誤差偏大。后續(xù)隨著載荷級數(shù)的增加,間隙逐漸減小或消失,相對誤差逐漸減小。

圖16 應(yīng)變測量與數(shù)值仿真結(jié)果相對誤差

4 結(jié)論

本文將光纖光柵傳感器應(yīng)用于起落架靜強度試驗中,并將光纖光柵應(yīng)變傳感器測量結(jié)果、傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片測量結(jié)果與數(shù)值仿真計算結(jié)果進行了對比分析,得出結(jié)論如下:

1)在飛機起落架靜強度試驗中開展了光纖應(yīng)變測量,對比分析結(jié)果驗證了光纖應(yīng)變測量在飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量中的有效性,測量結(jié)果滿足工程精度要求,為機體結(jié)構(gòu)靜強度試驗中應(yīng)變測量提供了新思路;

2)在實際應(yīng)用中,傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片采用單點單線,且需要進行組橋相關(guān)操作,而光纖光柵傳感器在這方面具有非常大的優(yōu)勢,特別是在測點較多的試驗中,可以大幅縮短試驗時間。