牧 彬,李永瑞,張今朝

(1.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 十六室,陜西 西安 710065;2.強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室,陜西 西安 710065)

1 引 言

大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件多,使用包括復(fù)合材料、鈦合金、鋁鋰合金等在內(nèi)的多種材料。飛機(jī)在實際服役過程中反復(fù)經(jīng)受氣動加熱,不同材料在溫度作用下的膨脹系數(shù)各不相同,導(dǎo)致飛機(jī)零部件間相對位置關(guān)系發(fā)生變化,影響結(jié)構(gòu)件的功能及架構(gòu)件間的傳力關(guān)系,嚴(yán)重情況下會危及飛行安全。

以某型飛機(jī)前機(jī)身筒段混合結(jié)構(gòu)為例。該結(jié)構(gòu)中,登機(jī)門多采用金屬材料,運動件及功能件眾多。登機(jī)門關(guān)閉狀態(tài)下,需要與機(jī)身完成對接,確保機(jī)身內(nèi)部氣密性。而機(jī)身主要由大面積的復(fù)合材料構(gòu)成,在外部熱載荷作用下,金屬材料與復(fù)合材料的變形不一致,導(dǎo)致登機(jī)門及機(jī)身連接區(qū)產(chǎn)生相對變形,影響登機(jī)門的功能性及飛行安全。因此,在飛機(jī)研制過程中需要開展熱應(yīng)力試驗,對飛機(jī)同時施加熱載及力載,以模擬飛機(jī)真實服役過程中受到氣動加熱的同時機(jī)身氣密艙受到壓力載荷的作用,為驗證飛機(jī)結(jié)構(gòu)全局以及局部溫度應(yīng)力分析方法及有限元分析方法提供技術(shù)支持。

國內(nèi)近年來開展的熱載-力載聯(lián)合試驗主要集中于涉及航天器、導(dǎo)彈、發(fā)動機(jī)葉片等的高溫領(lǐng)域。張偉等人設(shè)計了熱載荷、離心載荷及振動載荷等作用的聯(lián)合試驗[5],吳大方等人設(shè)計了1500℃極端高溫環(huán)境下高超聲速飛行器輕質(zhì)隔熱材料熱/振聯(lián)合試驗[6],劉加增等人設(shè)計了高溫渦輪葉片內(nèi)冷通道強(qiáng)化換熱試驗[7]。

對于大型飛機(jī)馬赫數(shù)低于0.8馬赫、外載溫度低于100℃、加熱面積大于10m2的試驗,國內(nèi)未見相關(guān)報道。本文針對國內(nèi)首個大型飛機(jī)熱載-力載聯(lián)合試驗控制需求,提出一種以協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)為核心的溫度控制技術(shù),設(shè)計了多種溫度數(shù)據(jù)軟件濾波算法,實現(xiàn)了對試驗溫度高精度控制,為該領(lǐng)域試驗技術(shù)發(fā)展提供了參考。

2 試驗簡介

某型飛機(jī)前機(jī)身筒段混合結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要考核艙門加強(qiáng)框結(jié)構(gòu)、門鎖結(jié)構(gòu)、金屬框與蒙皮及地板梁連接結(jié)構(gòu)等部位,載荷分為熱載及力載兩部分。熱載荷通過鋪貼加熱帶的方式施加,對于結(jié)構(gòu)有釘頭、螺母等不易鋪貼加熱帶的,需要通過硅膠墊補(bǔ)平后再進(jìn)行鋪貼;對于窗框、地板橫梁等結(jié)構(gòu),要求單面加熱,另外一面敷設(shè)保溫層;加熱帶及保溫層要求均勻鋪貼。考核部位要求目標(biāo)溫度80℃,溫度控制誤差不大于1%Pmax(Pmax為目標(biāo)載荷最大值)。

圖1 飛機(jī)前機(jī)身筒段混合結(jié)構(gòu)

壓力載荷通過充氣試驗臺施加,充氣試驗臺內(nèi)部包含充氣比例閥、充氣開關(guān)閥、放氣比例閥及放氣開關(guān)閥等4種閥門,由協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)伺服閥指令控制閥門動作,控制高壓氣體進(jìn)入氣密艙內(nèi)部或氣密艙內(nèi)部氣體釋放到外界環(huán)境中。伺服閥指令為正向時,充氣比例閥按指令比例動作,放氣閥門關(guān)閉,當(dāng)正向指令大于30%,充氣開關(guān)閥動作;伺服閥指令為負(fù)向時,放氣比例閥按指令比例動作,充氣閥門關(guān)閉,當(dāng)負(fù)向指令大于30%,放氣開關(guān)閥動作。高壓氣源由空壓機(jī)提供,壓力氣罐作為存儲介質(zhì)。飛機(jī)氣密艙開孔,安裝氣體管路,充氣及放氣共用一個開孔[8]。前機(jī)身筒段密封及支持方式如圖2所示?？己瞬课灰竽繕?biāo)壓力70kPa,控制誤差不大于1%Pmax。

本次試驗的主要特點是熱載與力載共用一套協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng),熱載與力載聯(lián)合施加,既要控制長周期變化的溫度量,又要控制短周期變化的壓力量,且兩者的控制要求都為1%。

3 試驗控制方案設(shè)計

針對上述試驗需求及試驗特點,設(shè)計試驗控制方案,如圖3所示。壓力載荷控制以試驗機(jī)內(nèi)部安裝的氣壓傳感器及充氣臺作為閉環(huán)控制條件,溫度載荷控制以試驗機(jī)內(nèi)部安裝的T型熱電偶、外置溫度變送器及加熱控制機(jī)柜作為閉環(huán)控制條件。

圖3 控制方案架構(gòu)

試驗設(shè)計50型充氣加載試驗臺,以一個DN50型氣動比例閥、兩個DN100型氣動開關(guān)閥并列構(gòu)成充氣控制閥門組,以一個DN50型氣動比例閥、一個DN100型氣動開關(guān)閥并列構(gòu)成放氣控制閥門組,采用西門子S700-200型PLC,編寫控制程序,實現(xiàn)控制指令接收、轉(zhuǎn)換。充氣加載試驗臺如圖4所示。

圖4 充氣加載試驗臺

試驗設(shè)計24路加熱控制機(jī)柜,由24路直流繼電器-交流接觸器組件、可控硅電源模塊組成。繼電器接收控制指令控制電路開通及關(guān)閉,接觸器提供大電流控制能力,可控硅電源為加熱帶提供電源,可以通過調(diào)節(jié)給定電壓來控制電源輸出功率。加熱控制機(jī)柜如圖5所示。

圖5 加熱控制機(jī)柜

綜上所述,協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)在控制溫度及壓力兩個物理量時同時采用了連續(xù)控制及離散控制兩種控制方式,控制系統(tǒng)組成如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)組成

4 數(shù)據(jù)處理方法

溫度采集數(shù)據(jù)作為溫度閉環(huán)控制的輸入量,從T型熱電偶到溫度變送器,再接入?yún)f(xié)調(diào)加載控制設(shè)備,容易受到大功率加熱裝置及試驗件內(nèi)氣體壓力的影響而產(chǎn)生波動,導(dǎo)致控制器數(shù)字輸出DO信號不停動作,加熱控制柜中繼電器處于長時間開通關(guān)閉狀態(tài),影響控制效果及設(shè)備安全。因此,需要重點對溫度采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波。

試驗采用FlexTest200型協(xié)調(diào)加載控制設(shè)備,其以安全、穩(wěn)定、高精度著稱。設(shè)備支持采用自定義控制輸入通道的方式進(jìn)行軟件編程,提供固定函數(shù)類型及邏輯判斷條件。復(fù)雜矩陣運算或計算量較大的濾波算法,無法移植到協(xié)調(diào)加載控制設(shè)備中運行,取滑動平均值濾波方法及中位值濾波方法作為研究對象。

滑動平均值濾波方法是將采集到的溫度數(shù)據(jù)放置到一個固定長度的隊列,數(shù)據(jù)放置采用先入先出的方式,新數(shù)據(jù)放進(jìn)隊列的尾部,放棄隊列首部數(shù)據(jù),將隊列中所有數(shù)據(jù)求平均值作為濾波輸出?；瑒悠骄禐V波方法計算量小,程序簡單。

中位值濾波方法是對一個固定長度的數(shù)據(jù)隊列按照從大到小排序,取中間值作為濾波輸出的方法。該方法同樣遵循先入先出的原則,且數(shù)據(jù)隊列為奇數(shù)。假設(shè)數(shù)據(jù)隊列為N,則首次排序需要進(jìn)行N-1次比較,二次排序需要利用上次排序剩余的N-1組數(shù)據(jù)進(jìn)行N-2次排序,依次類推。

選擇試驗調(diào)試過程30℃～40℃加載中的100個采樣點作為樣本,兩種濾波算法數(shù)據(jù)隊列長度取5,中位值濾波方法做3次冒泡排序。兩種濾波算法結(jié)果對比如圖6所示,可以看出,滑動平均值濾波方法處理后的數(shù)據(jù)過渡平滑,而中位值濾波方法處理后的數(shù)據(jù)具有明顯的滯后現(xiàn)象,且中位值濾波計算量顯著多于平均值方法,因此在后續(xù)試驗中,采用滑動平均值濾波方法。

圖6 濾波方法對比

5 試驗結(jié)果

依據(jù)試驗大綱規(guī)定,開展100%載荷試驗。試驗加載分為兩步,首先逐級施加力載到70kPa后保持,隨后開始加熱,從室溫開始加熱到40℃,以20℃為一級,逐級加載至80℃,每級加載時間20min,保載時間20min并進(jìn)行10次測量作為試驗結(jié)果,其次進(jìn)行溫度載荷保持,10min內(nèi)逐級退載力載荷,最后以加載要求逐級退載溫度載荷。試驗載荷過程如圖7所示。

取壓力70kPa保持階段,溫度從60℃加熱到80℃過程的數(shù)據(jù),如圖8所示?？梢缘贸?溫度控制誤差最大為0.9%,壓力控制誤差最大為0.7%,均能夠滿足試驗大綱1%的誤差控制要求,達(dá)到了試驗考核的目的。

圖8 100%試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文通過分析某型飛機(jī)前機(jī)身筒段熱載-力載聯(lián)合試驗需求,設(shè)計試驗壓力載荷及溫度載荷控制方案,對比兩種溫度數(shù)據(jù)濾波方法,實現(xiàn)了長周期溫度量與短周期壓力量聯(lián)合控制,加載精度滿足試驗大綱要求。本次試驗為國內(nèi)首次進(jìn)行的大尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)熱載-力載聯(lián)合試驗,為后續(xù)型號研制提供了一定的技術(shù)儲備。