水陸兩棲飛機船尾著水試驗技術研究及應用

張 柁，張 園，何月洲，王 海

（1.中國飛機強度研究所全尺寸飛機結構靜力/疲勞重點試驗室，陜西?西安?710065；?2.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西?西安?710021）

水陸兩棲飛機承載著森林滅火、海上救援等特殊作業任務，需要頻繁地在水上降落，機身結構為船體形狀，承受著船體撞擊的壓力和高速滑行時的水動壓力。為了保證其在波浪水面上降落時機體結構的安全性，著水載荷的精準施加至關重要[1-2]。然而，由于機身船底水載荷作用區域結構具有水箱口蓋、抑波板、舭彎、龍骨梁和斷階框等特殊結構，且船體表面為大面積復雜曲面，對試驗方法和試驗技術提出了極大的挑戰[3-6]。

本文以水陸兩棲飛機船尾著水試驗為研究對象，從試驗的支持方案、試驗載荷處理、試驗加載方法、試驗結果分析等方面對船尾著水試驗進行研究，并提出一套完整的試驗方案。

1??試驗方案

1.1??試驗支持

根據國軍標GJB 67A.9-2009中“3.1.8 試驗件支持”要求：“全機試驗的約束點應是靜定的”，“支持系統有空間使飛機自由變形和安裝試驗加載設備”，“支持系統應滿足試驗要求的強度和剛度”。目前，國內全機靜力試驗普遍采用六自由度靜定約束。基于上述考慮，水陸兩棲飛機船尾著水試驗選用前起落架和左右主起落架作為主要垂向約束部位，限制試驗機垂向剛體位移和俯仰、滾轉自由度。

試驗支持定義如下：在前起落架、左右主起落架約束垂直方向線位移，這3個約束點可提供垂向、俯仰和滾轉約束。在左、右主起落架航向各布置1點，可提供航向和偏航約束。在左主起落架布置側向約束點，可提供側向約束。在此支持狀態下，飛機呈靜定約束，試驗支持示意圖見圖1，約束點設置詳見表1。

圖1 水陸兩棲飛機船尾著水試驗支持示意圖

1.2??載荷處理

水陸兩棲飛機船尾著水試驗載荷包括機身載荷、機翼載荷、平尾載荷、水載荷、短艙氣動和慣性載荷。

載荷處理依據以下原則進行：

（1）在保證總載荷、總壓心不變的前提下，盡可能保證考核區域的受力真實，對試驗中非考核結構部位的試驗載荷可進行適當的簡化；

（2）載荷簡化不影響局部結構強度考核，也不應導致非考核部位出現非正常的永久性變形或破壞，處理后載荷對周邊結構影響盡可能小。

表1 約束點設置

1.3??加載方法

機翼垂向載荷、平尾垂向載荷、機身垂向載荷、機身航向載荷主要采用膠布帶—杠桿系統進行加載，膠布帶—杠桿系統加載示意圖如圖2所示。

圖2 膠布帶—杠桿系統加載示意圖

發動機載荷采用發動機假件接頭進行加載，發動機假件及其接頭如圖3所示。

圖3 發動機假件及其接頭

根據運輸類飛機適航標準（CCAR-25-R4）中第25.533條的要求，水載荷加載面積應盡可能大地覆蓋水載荷作用區域，并要求以連續均勻的分布載荷形式施加。傳統的膠布帶杠桿、拉壓墊杠桿等加載方法主要施加節點載荷，無法實現均勻連續加載。對于全機狀態下的水載荷試驗，由于存在較大的剛體位移，在部件情況下的氣囊加載技術設計復雜。均勻連續加載特性比較好的氣囊加載技術由于無法適應結構比較大的剛體位移和變形，設計難度增加，無法適應水載荷加載需求。另外，考慮到機身船體存在抑波板（槽）、舭彎、龍骨、斷階框、水箱口蓋等特殊結構，載荷量級大，加載面積大等因素，機身水載荷采用加載塊—杠桿系統進行加載。水載荷加載塊—杠桿系統如圖4所示。

圖4 水載荷加載塊—杠桿系統示意圖

1.4??試驗控制系統

試驗加載控制設備使用FlexTest 200協調加載控制系統，控制系統誤差不大于1%FS（FS為滿量程），可以滿足任務書對加載誤差的要求，即相對每一級載荷值，均滿足：

（1）各加載點協調加載；

（2）加載點動態誤差≤3%Pmax（Pmax為該點最大載荷值）；

（3）加載點靜態誤差≤1%Pmax；

（4）試驗系統設置為自動保存加載系統保護前后各10s的載荷數據。

試驗前應確認加載控制系統的安全保證措施能夠良好運行，按要求設置好各種保護值：

（1）加載協調性，為保證試驗加載的協調性，需設置靜、動踏步的誤差，動踏步誤差設為3%Pmax，靜踏步誤差設為1%Pmax。

（2）超差保護，設置EDⅠ和EDⅡ兩個超差保護限，EDⅠ設為3%FS，超差延時2s，系統報警；EDⅡ設為5%FS，超差延時2s，加載系統卸載。

（3）超限保護，Limit限設為Pmax+10%Pmax（如果10%Pmax＜5kN，按5kN），超限自動卸載，參見圖5。

（4）故障數據回收，FlexTest 200加載控制系統設置為記錄故障卸載前10s和卸載后10s的應急卸載控制數據。

圖5 控制系統保護示意圖

1.5??試驗測量系統

試驗數據采集使用HBM、ST18-2數據采集系統，能對應變、位移進行實時自動采集，在采集過程中可對選定的重要通道實時顯示數據、曲線。

（1）應變片采用BE系列A級應變片；

（2）位移傳感器采用電流型拉繩式位移傳感器，允許誤差小于或等于0.5%FS；

（3）數據采集系統的測量誤差不大于1%FS，滿足任務書對測量精度的要求。

本項試驗測量包括應變測量和位移測量，應變測量10736片，位移測量點81個。

2??試驗程序

限制載荷靜力試驗按以下程序進行：

（1）各崗位完成所負責的設備、儀器、儀表的檢查和維護并報告指揮；

（2）加壓進扣重波段，并檢查油路、控制系統、測量系統、加載設備是否正常；

（3）以5%為一級，逐級加載至20%極限載荷，保載；

（4）檢查設備；

（5）以5%為一級，逐級加載至40%極限載荷，保載；

（6）檢查設備，確認數據是否正常；

（7）以5%為一級，繼續加載至65%極限載荷；

（8）以2%為一級，繼續加載至67%極限載荷，保載30s；

（9）以7%為一級，卸載至60%極限載荷；

（10）以10%為一級，逐級卸載至初始波段，保載3min再次測量后卸壓；

（11）在試驗過程中，逐級測量應變、位移，并全程錄像；

（12）對試驗件進行全面的檢查，并填寫試驗變形檢查記錄表；

（13）試驗結束后，將資料存盤，及時歸檔。

3??試驗結果

水陸兩棲飛機船尾著水試驗現場照片見圖6。

圖6 試驗現場照片

3.1??試驗加載結果

67%極限載荷試驗結束后，機房對試驗數據進行了回收，根據各加載點命令值和反饋值，得到各加載點的加載百分比，水載荷加載點加載結果見表2。從表2中可以看出，力控加載點誤差不超過1%Pmax，滿足試驗大綱和任務書要求。

表2 船尾著水試驗加載結果

加載到67%極限載荷狀態下，約束點實際反饋值與理論值比較見表3，表3中載荷為保載30s結束時反饋值。表中數據表明，約束點載荷誤差均小于8000N，滿足試驗大綱要求。

表3 船尾著水試驗約束點載荷及誤差。

3.2??試驗測量結果

試驗測量數據包括應變數據和位移數據。

3.2.1??應變數據處理方法

（1）剔除失效測量點。剔除無線性、異常跳動等應變數據。

（2）金屬材料應變數據轉化為應力數據。

①單應變轉換應力方法：

其中：σ為單應力；E為彈性模量；ε為單片應變值。

②應變叢轉換主應力方法：

其中：σ1為最大主應力；σ2為最小主應力；E為彈性模量；μ為泊松比；ε0、ε45、ε90為應變叢3個方向的應變值。

（3）繪制部分應變—載荷曲線。

應變—載荷曲線：橫坐標為載荷百分數，縱坐標為應變值。

3.2.2??位移數據處理方法

（1）剔除失效測量點。剔除試驗中由于異常干擾產生的無效數據。

（2）繪制部分位移—載荷曲線。位移—載荷曲線：橫坐標為載荷百分數，縱坐標為位移值。

3.2.3??應變數據線性分析

水陸兩棲飛機船尾著水試驗部分應變片應變—載荷曲線見圖7～圖9。綜上，該試驗主要考核部位上應變—載荷曲線線性較好。

圖7 船尾著水工況限制載荷靜力試驗外翼壁板應變—載荷曲線

通過應變數據重復性分析和線性分析，可以得出結論：本次試驗的應變數據是有效的。

圖8 船尾著水工況限制載荷靜力試驗中央翼壁板應變—載荷曲線

圖9 船尾著水工況限制載荷靜力試驗中央翼前梁應變—載荷曲線

3.2.4??位移數據線性分析

水陸兩棲飛機船尾著水試驗部分位移點位移-載荷曲線見圖10～圖12。由圖可知，機翼位移—載荷曲線線性較好。

圖10 船尾著水工況限制載荷靜力試驗右機翼位移—載荷曲線

通過位移數據重復性分析和線性分析，由此可以得出結論：本次試驗的位移數據是有效的。

4??結論

圖11 船尾著水工況限制載荷靜力試驗左機翼位移—載荷曲線

圖12 船尾著水工況限制載荷靜力試驗機身位移—載荷曲線

針對水陸兩棲飛機船尾著水試驗，提出了一種船尾著水試驗技術，并順利完成了強度試驗。試驗結果表明，載荷施加準確，試驗件結構強度滿足要求。試驗的順利完成，表明試驗支持方案、試驗載荷處理、試驗加載方法等合理、科學，試驗加載系統可靠，為其他結構強度試驗提供參考。