民用飛機全機靜力試驗機身加載方案研究

于國慶

摘 ? 要：民用飛機是一種用于運載貨物或載人的交通工具，因服務于民用不用于軍事用途，故稱為民用飛機。但民用飛機在特殊時期可以隨時作為軍用飛機使用。本文通過科學的分析、有限的元計算以及幾種測量技術對民用飛機全機靜力實驗機身加載方案進行了科學的研究。本研究通過對機身單元的內力進行統一考察，以分析機身內力分布的角度為側重點為實驗方案提供數據支持。為了得到更真實、科學的模擬機身載荷的傳力路徑，特意采用貨艙地板與客艙地板雙層加載相結合的方案。

關鍵詞：民用飛機 ?靜力試驗 ?機身加載方案 ?研究

中圖分類號：V228.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0013-02

1 ?民用飛機相關概念以及全機靜力試驗機身加載方案

軍用和民用飛機都有自己的使用范圍和飛行功能，在戰術和技術指標上也不盡相同。但是它們也有很多的共性，如結構、有效載重、機動性、敏感性、續航能力等。現如今飛機大部分是采用新材料和新工藝，如此可以有效降低結構的重量。在進行飛機強度設計時，依托高速計算機和有限元分析軟件使飛機設計的靜強度的準確度越來越高。除此之外，飛機全機靜力試驗機身加載方案研究是驗證新研制飛機強度的主要試驗方案之一[1]。

飛機研制是一個復雜的過程，在飛機研制中，要充分考慮如何科學地驗證飛機結構地面強度。在運輸類民用飛機中有很多類型，也有很多適航標準。不同的適航標準對飛機的結構強度有不同的要求，其中CCAR-25部對結構強度的設計以及驗證就有很高的要求。但分析驗證僅僅處于驗證階段，驗證的科學性與嚴謹性遠低于實驗驗證。所以在飛機特別是全機級別的驗證上，必須采取科學的靜強度試驗措施。只有完成靜強度試驗才能進行飛行試驗。

不管是民用飛機還是軍用飛機，大多數的組成部分都有起落裝置，機身，機翼，尾翼以及動力裝置。在眾多組成部分中最關鍵的部分是機身。機身起到重要的作用，比如可以將飛機的其他部位連接成一個完整的整體，保留寬闊的空間用于承載裝備和武器或者是人員，使飛機起到飛機專有的作用。所以，在民用飛機的研究中研究機身的載荷是非常關鍵的舉措。要模擬出機身結構真實的受載情況就要采取多種科學的措施并進行比較，從而提高實驗的有效性。

新型的加載方式與傳統的加載方式是不同的，新型的加載方式在傳統的方式之上有所創新。如：傳統的研究方式是在民用飛機機身之外粘貼一定量的膠帶，從而將載荷施加到機身上。而新的加載實驗方式與之不同的是：利用機身特殊的結構搭建杠桿系統進行加載實驗——貨艙和客艙的地板橫梁滑軌。新型的機身加載方案具有很多優點。在機身的載荷分配上說，該方案能更真實、有效地模擬機身各個部位的受載情況，并且分配更均勻。數據越準確實驗的結果越真實。除此之外，運用機身杠桿原理能夠盡量減少機身外表面的占用面積，在試驗全過程中更干凈。在機身外部檢測應變片能更好地控制蒙皮進入的張力場。因此，實驗研究杠桿系統類型的加載方案具有高的科學性和有效性并且被廣泛地應用于各種同類實驗中。而杠桿系統的原理也被更多科學家進行研究。

本文通過對民用飛機的全機靜力的幾種試驗進行對比、計算，全面考察機身單元的內力等，望能對機身靜力試驗加載方案設計提供有效的數據和方案支持。

2 ?民用飛機機身荷載的相關分析

從其他國家先進民用和軍用飛機的研制上來看，提高機身荷載水平設計及富裕度強度剩余系數是降低機體結構重量和荷載的主要方式之一。而機體結構必須能夠承受規定載荷在一定時間內不破壞。如果結構能夠承受要求的荷載程度，則在使用荷載和設計載荷之間產生結構失穩是可以接受的[2]。

舉例說明：西方某一先進國家生產民用飛機，為了提高飛機的綜合性能，減少飛機事故概率、減少飛機整體重量，召集諸多高科技人才并投入大量資金進行全機靜力試驗機身加載方案研究。該公司的試驗飛機在試飛過程中多次出現機體解體的情況。試驗后期通過制定合適的載荷目標來合理設計機身結構，滿足飛機在飛行中能承載的最大限度。通過幾次全機靜力試驗的檢驗，對機身薄弱處進行設計改進增強。最后該機型成為世界上最先進最經典的飛機，也成為其他國家飛機研制的優秀典范，由此可見全機靜力試驗機身加載方案研究的重要性。

據研究，民用飛機的機身荷載分為兩種，即慣性荷載和氣動荷載。在眾多慣性和在中，主要的荷載是客載和貨載。客載和貨載主要是在地板上，通過地板再傳遞到機身結構上。

3 ?方案簡介與有限元內力對比

民用飛機的受載情況計算通常利用有限元計算將其施加到模型的節點上，利用模型反映飛機的真實受載情況。對民用飛機的全機靜力試驗機身加載方案有以下幾種[3-4]：

3.1 膠布帶加載方案簡介

膠布帶加載的具體方案是利用膠布帶通過粘貼的方式承載飛機機身的載荷。但在具體的操作中，為了實驗中機身的整潔與實驗的易操作性，往往只選擇在飛機的機身兩側的位置粘貼膠布帶，均勻劃分膠布帶的分配位置。

3.2 客艙地板單層加載方案簡介

通過客艙地板單層加載方案是利用機身的杠桿系統將機身各站位的受力施加在客艙地板上，該方案的工作原理如下。在每個飛機機身上設置相同距離的站位，共同設置一組杠桿系統。在機身的加載點位置開一個小孔，然后機身頂部也開一個孔，同樣，機身底部位置的框站位也開一個孔。

3.3 客艙以及貨艙地板雙層加載方案簡介

在客艙地板單層加載方案的基礎上增添一組位于貨艙地板上的杠桿系統，加載方法與上一個方案的加載方法相似。在實驗方案操作過程中需要注意以下問題：

要以事實為原則，參照機身數據，按照真實的機身站位的具體載荷制作全機靜力試驗機身加載方案的模型。另外，為保證數據的準確性，要對機身機構慣性載荷進行平均分配，使每個加載點承受的載荷數量相同。

3.4 蒙皮內力對比與框內力對比

在三種加載方案對比下得出蒙皮內力與全機解的偏差在3%以內。膠布帶加載方案與客艙地板單層加載方案下的蒙皮剪流之間的偏差在10%左右，客艙和貨艙地板上雙層加載方案的偏差在5%左右。另外，分析機身22長桁以下框內力有較大的偏差，主要原因是31長桁位置是地板支柱和框的連接處，客載是通過地板結構傳遞到機身結構上的，使其附近產生較大彎矩。

4 ?結語

本文著重分析了民用飛機全機靜力實驗的幾種機身加載方案。分析對比實驗結果得出：在眾多方案中貨艙與客艙地板雙層加載的實驗方案更真實有效，更有利于模擬出真實的機身載荷情況。將其運用到民用飛機全機靜力試驗中效果更真實。

參考文獻

[1] 薛彩軍，譚偉，聶宏.民用飛機全機靜力試驗機身加載方案研究[J].實驗力學，2011（6）：735-742.

[2] 王正平，韓鴻源.飛機全機靜力試驗機身加載方案研究[J].西北工業大學學報，1999（4）：649-652.

[3] 劉金玉，李軍，戴舜.飛機結構靜力試驗中杠桿系統的載荷配重[J].實驗科學與技術，2012（4）：30-32.

[4] 劉權良，尹偉，夏峰.飛機結構靜強度試驗支持方案的確定[J].航空科技技術，2012（5）：32-35.