浮空器典型連接部件蝴蝶結拉伸試驗設計研究

李習習

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門448035）

1 概述

浮空器是指密度輕于空氣的飛行器，是系留氣球和飛艇的統稱[1]。它主要依靠裝有輕質氣體的囊體在空氣中產生的浮力克服其自身重量以實現留空工作[2]，浮空器結構如圖1 所示，屬于航空器的范疇，它是人類社會研發和使用最早的一種飛行器，它的研發和使用已經有160 年左右的歷史。浮空器包含系留氣球和飛艇兩類，系留氣球可在數千米的高度實現全天候、長時間定點停留，具有安全性好、留空時間長、雷達散射截面小、研制成本低、安全性好、使用效費比高等諸多優點。飛艇內部一般裝有動力裝置，可以遙控或自動控制下自主飛行[3]，具有續航時間長、載重量大、使用成本低、使用維護方便、起降場地要求低、綠色環保等優點，可通過搭載不同的任務載荷，廣泛應用于軍民用領域。

浮空器上一般搭載有任務設備，囊體與其他任務設備主要是通過系留索具連接，而系留索具與囊體的連接方式主要是以蝴蝶結的形式，如圖2 所示，故蝴蝶結承受了較大載荷，對蝴蝶結開展拉伸強度試驗很有必要。

圖1 浮空器結構

2 試驗過程設計

2.1 試驗件制備

圖2 典型蝴蝶結結構示意圖

承力條為蝴蝶結主要承載結構，承力條的承載能力一定程度上可以反映蝴蝶結的承載能力，但由于蝴蝶結是由多根承力條組合而成，單個承力條試驗不能驗證多根承力條組合后的承載能力，因此蝴蝶結強度試驗應選用整體蝴蝶結作為試驗件進行。

由于蝴蝶結在浮空器結構中均是熱合粘接在囊體上，即為軟式連接，若試驗時直接將蝴蝶結固定于剛性的夾具上，則邊界條件模擬缺乏準確性，會嚴重影響試驗結果的準確性。為準確模擬試驗時蝴蝶結的邊界條件，將兩種試驗件均設計成帶有一段過渡區的結構形式，即蝴蝶結試驗件均帶有一定大小的基布。同時由于基布為軟式結構，試驗時要先將基布張緊，其張緊力安照浮空器上真實張緊力進行控制。這樣使得試驗時蝴蝶結的邊界條件與真實結構更加相近。綜上考慮，蝴蝶結的試驗件設計成帶預應力基布的結構形式，如圖3 所示。

2.2 試驗加載方式

試驗加載常用的方式有手拉葫蘆及作動缸。由于典型連接件通常要以恒定速率加載，而手拉葫蘆是手工拉動，難以滿足恒定速度，并且人工操作葫蘆加載，大載荷時加載費力，破壞時有一定安全隱患，需額外配置載荷采集設備，故蝴蝶結加載采用作動缸。作動缸加載具有能夠實現程序控制，加載速率可調且精度較高，可自動記錄加載載荷的優點。

圖3 蝴蝶結試驗件結構示意圖

2.3 試驗安裝方式

試驗安裝采用可調基布式自動張緊試驗平臺，平臺結構示意圖見圖4。該平臺可以實現蝴蝶結的自動定量張緊、按要求自動加載并采集。

試驗時將基布四邊插入T 型卡槽中，然后用鋁管穿過基布拉壞內將試驗件固定。采用伺服電機驅動滾珠絲杠帶動T 型卡槽對試驗件進行張緊，通過連接在伺服電機前的扭矩傳感器來控制基布張緊力。

圖4 試驗安裝平臺示意圖

2.4 試驗步驟

按照試驗原理圖裝好試驗件，并調節四周夾具將試驗件初步張緊，同時調試好儀表；調節張緊力大小，用作動缸以100mm/min 勻速給試驗件加載至破壞，讀取并記錄破壞載荷，觀察并記錄破壞形式。

3 結論

本文系統闡述了蝴蝶結拉伸試驗設計，蝴蝶結試驗件設計成帶預應力基布的結構形式，通過可調基布式張緊平臺安裝試驗件，并采用作動缸進行加載。整個試驗過程高度自動化，且不受場地條件限制，極大提高了典型部件連接試驗的試驗精度與效率。拉伸強度試驗數據主要用于為強度分析和結構設計提供依據。