飛機油箱下壁板負壓加載技術研究與應用

楊鵬飛，付夢思，夏 峰

（1.中國飛機強度研究所?全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點試驗室，?陜西?西安?710065；2.北京航天長征飛行器研究所，北京?100076）

在飛機結構靜力試驗中，包括GJB 67.9A—2008《軍用飛機結構強度規范 第9部分：地面試驗》以及CCAR-23-R3《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》，都要求飛機油箱必須能夠承受運行中可能遇到的慣性、油液及結構的載荷而不損壞，并對每個油箱必須能夠承受的壓力做出具體規定。由于高空中大氣壓低于地面，通常情況下飛機油箱內部壓力大于外部，在充壓試驗中，油箱下壁板主要承受正的氣密載荷。通常的試驗方法為：在油箱中注入一定水量，然后通過氣泵對油箱充壓，對油箱壁板的靜強度進行考核[1]。

某型飛機由于其自身氣動結構的原因，其機身油箱充壓試驗工況3中油箱下壁板載荷為-120kPa。現有的試驗方法以及設備不具備這樣的加載能力。由于油箱內部無法進行負壓力加載，試驗時只能將油箱下壁板的內部負壓轉化成外部施加的均布載荷。

1??總體方案設計

對于試驗件表面的均布載荷，通常采用等效處理的方法，對表面拉向載荷利用膠布帶杠桿系統施加集中載荷，對于壓載采用木塊進行施加。均布載荷等效成集中載荷施加必然偏離試驗件的實際受載情況，而木塊加載則由于木塊修形后不能保證與試驗件表面完全貼合，從而導致試驗件表面受力不均，影響試驗加載結果的真實性。

傳統的加載方法均需要液壓作動筒來施加載荷，由于考核部位油箱下壁板為進氣道上表面，而本次試驗機進氣道結構復雜，進氣道前端還有“喉結”結構，受進氣道的空間限制，無法安裝作動筒、杠桿等加載設備。為解決試驗中加載難題，需要進行氣囊加載技術的研究。

總體思路是：采用邵氏硬度為70的橡膠為原材料，結合考核部件的外形結構，設計成長方體外形的氣囊，并根據考核部件所在的位置、空間的局限性，設計專用的氣囊支托結構，作為氣囊的外部約束及承載平臺。在進氣道內將整個外部約束組裝后與氣囊成為一個整體來對試驗件進行加載，進氣道地板作為承載基礎。

2??氣囊設計

通常氣囊按試驗件表面形狀設計，試驗時用氣囊夾具進行固定，依靠充氣膨脹，與試驗件表面貼合。

本次試驗載荷大，進氣道結構復雜，如果按常規方法依據進氣道形狀設計氣囊，會給氣囊設計帶來很大困難，同時在使用時會有一些缺陷。如氣囊體積大，試驗時充氣量大，有安全隱患；氣囊固定、保形困難，試驗時很難實現與考核部位表面完全貼合，影響加載精度[2-5]。

針對上述問題，本次試驗的氣囊設計采取了新的思路。

（1）依照考核部位表面形狀和面積，將氣囊設計為長方形，設計、加工簡便。

（2）氣囊周邊用布包邊，氣囊高度為50mm，以減少氣囊體積、保證試驗安全。

（3）設計專用的氣囊支托結構，約束氣囊的形狀，在試驗時保證氣囊與考核部位表面完全貼合，并作為氣囊加載的承載平臺。

根據考核部件試驗的具體要求，提出了氣囊的技術指標。

（1）規格尺寸：1515mm×600mm×50mm。

（2）橡膠材料厚度：2.5～4mm。

（3）橡膠材料硬度：70（邵氏硬度）。

（4）承載能力：1個壓力（無約束），1.5個壓力（有外部約束）。

根據技術指標設計出氣囊示意圖并投產，如圖1、圖2所示。

圖1 氣囊設計圖

圖2 氣囊實物圖

3??氣囊夾具設計

本次試驗的氣囊夾具有2個作用，一方面要約束和保持氣囊外形，另一方面為氣囊加載平臺，而本次試驗機進氣道結構復雜，進氣道前端還有“喉結”結構，這給夾具設計安裝帶來很大困難。

針對上述問題，本次試驗的氣囊夾具設計采取了新的思路：依據進氣道三維數模，考慮到現場安裝難度，采用搭積木的方式，利用木塊分段、分層做成盒式結構。

盒式結構分為5段3層：第1層放置氣囊，約束氣囊外形，保證與進氣道上表面貼合；第3層放在進氣道下表面，與表面貼合，作為承載基礎；中間層由楔形木塊組成，用于調節夾具高度，傳遞載荷。

整個夾具放置于進氣道內，由70余塊木塊組裝而成。安裝時，從里到外、分段分層，依次安裝木塊，外部由拉桿、杠桿、螺栓等固定成一個整體。具體情況見圖3～圖6。

圖3 氣囊夾具設計圖

圖4 夾具安裝示意

圖5 夾具安裝示意

圖6 夾具安裝實物圖

4??氣囊傳載標定

在試驗前，對氣囊傳載進行了標定。標定過程：設計專用盒段將氣囊放入其內，將盒段與地面進行固定，并安裝傳感器測量載荷，對氣囊進行充氣。以氣囊充壓點為主動加載點，載荷約束點為監視點。根據使用載荷，設定以20kPa為一級進行加載，并對載荷反饋數據進行回收分析。

由于氣囊四周有一圈加布區，變形量很小，在對其進行充氣時，這個區域會吸收一部分能量，導致在高載時傳遞出來的載荷小于理論計算的載荷值，對氣囊的傳載性能分析時應予以考慮，圖7為氣囊標定示意圖。

通過對標定數據進行分析，實加載荷與理論載荷誤差為1.2%，滿足試驗要求。

圖7 氣囊標定示意圖

5??結論

本文所設計的氣囊結構加載方法成功應用于某型飛機油箱下壁板負壓試驗，試驗結果與理論分析結果相吻合。