飛機強度試驗大曲率弧形曲面結構加載技術及其應用

任 鵬, 杜 星

(中國飛機強度研究所全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065)

隨著中國航空事業及航空裝備的飛速發展，飛機結構強度驗證試驗越來越被重視，成為新型號研制過程中不可或缺的一部位。飛機結構強度驗證試驗，是將飛機地面及飛行過程中機體所承受的氣動載荷、慣性載荷等以地面試驗的形式施加到飛機結構上，用來驗證飛機結構承受上述載荷的能力，保證飛機飛行的安全性[1-4]。

飛機結構部件包括機翼盒段、平尾盒段、垂尾盒段等外蒙皮近似平面的結構部件，以及機身筒段、發動機短艙等小曲率弧形曲面蒙皮結構，針對上述兩種結構部件的結構強度試驗加載技術已經相對成熟。但飛機結構部件中還有比如機翼前緣、縫翼、整流罩等大曲率弧形曲面蒙皮結構，針對此類結構外形的結構強度試驗加載技術研究較少，目前還沒有相對成熟的加載方案。

飛機各部件所承受載荷形式主要包括拉向載荷、壓向載荷、充壓載荷、負壓載荷等。目前飛機結構強度地面驗證試驗中，拉向載荷主要以膠布帶-杠桿系統形式施加，該加載形式具有抗拉承載能力強、載荷分布準確、加載精度高、加工制造成本低等優點，但其為軟式連接，缺點是僅可用于施加拉向載荷。

壓向載荷主要以拉壓墊-杠桿系統、木塊或卡板等形式施加。拉壓墊-杠桿系統[5]采用橡膠塊或聚氨酯塊與飛機蒙皮表面通過粘接劑粘貼，通過鋁板與其連接用于施加載荷，該加載方法可實現拉壓雙向載荷施加，節省加載設備及空間，減少試驗準備周期。但該加載方式抗疲勞性能較差，在疲勞試驗中，隨著拉壓載荷的循環施加，經常出現橡膠塊或聚氨酯塊脫粘、側滑等情況發生，帶來試驗加載風險[6-7]。且該方法僅適用于平面或小弧度曲面的加載[8]，對于大曲率弧形曲面結構，該加載方法所用橡膠塊或聚氨酯塊厚度隨蒙皮外形急劇變化，加載時粘接面切向載荷增大，粘接面脫粘、側滑等風險進一步加大。木塊加載形式可用于施加壓向載荷，但其與蒙皮粘貼強度較差，對于大曲率弧面結構，極易發生側滑，且其承載拉向載荷能力差。卡板加載形式一般只適用于盒段結構加載，對于大曲率弧面結構無法滿足加載需求，且其為集中載荷施加形式，無法滿足試驗分布載荷考核需求。

針對現有加載形式特點，文獻[9]研究了一種膠布帶拉壓墊-杠桿加載形式，結合了膠布帶抗拉能力強、木塊可用于施加壓向載荷的特點，可實現對大傾角平面的加載。但是，該加載形式所設計卡板底座為異形結構增大了整個結構高度，壓載穩定性較差，且該形式無法實現對大曲率弧面的加載。

針對大曲率弧面結構拉壓雙向載荷，現有上述加載形式已無法滿足加載需求，因此提出一種新型膠布帶拉壓墊-杠桿加載形式。通過改進膠布帶結構，針對大曲率弧面特點，合理分析適用橡膠塊厚度，保證弧面受載均勻性，通過試驗驗證該技術可行性，滿足了大曲率弧面拉壓雙向加載需求，并成功應用于某型號襟縫翼疲勞試驗中。

1 設計方案

針對大曲率弧形曲面結構拉壓雙向疲勞載荷施加所帶來的技術難點，為保證拉壓墊疲勞性能、抗拉強度及壓載穩定性，采用一種新型膠布帶拉壓墊加載形式，如圖1所示，在弧形曲面結構加載位置實現拉壓雙向加載。

圖2 新型膠布帶示意圖

具體實現方案為通過設計新型膠布帶利用膠粘劑與弧面試驗件粘貼，膠布帶形式如圖2所示，膠布帶采用高耳、低耳設計形式，以適應弧面曲率變化。采用等高度加載底座通過穿入鋁棒與膠布帶連接，避免了由于底座孔位高度差距過大造成的結構不均及整體穩定性差的問題。底座與膠布帶之間采用修型橡膠塊填充，保證橡膠塊弧面與試驗件弧面完美貼合，從而保證弧面受載均勻。

受拉時，載荷通過單耳及加載底座傳遞給膠布帶高、低耳，進而分布至整個膠布帶底面，通過膠粘劑實現對弧形曲面結構拉向加載。受壓時，載荷經單耳及加載底座傳遞至橡膠塊，通過橡膠塊實現對弧形曲面結構施加均布壓向載荷。

所設計膠布帶可適應弧形曲面結構大曲率、變曲率結構特點，其與弧形曲面結構貼合尺寸如圖3所示，通過圖中幾何關系，得到：

(1)

式(1)中：H為膠布帶高耳高度；x為膠布帶低耳高度；r1為高耳處弧面曲率半徑；r2為低耳處弧面曲率半徑。

依據式(1)，得到膠布帶低耳、高耳尺寸關系為

(2)

當膠布帶拉壓墊結構承受拉向載荷時，由于受拉位置位于膠布帶中心，根據力臂分配原則，膠布帶低耳與高耳承受拉向載荷相等，因此可保證拉向載荷均勻施加于弧形曲面結構表面。

當膠布帶拉壓墊結構承受壓向載荷時，由于主傳力結構中橡膠塊為變厚度結構，對橡膠塊厚度對壓向載荷傳遞分布的影響進行分析，以橡膠塊最薄處厚度x作為變量，采用數值仿真的方法，對不同厚度橡膠塊載荷傳遞結果進行仿真計算，取a為30 mm時，計算結果如圖4所示。

當橡膠塊厚度從t=10 mm變化至t=50 mm時，以橡膠塊寬度方向作為尺寸a，最薄點處作為起點，不同厚度下，接觸面傳遞載荷沿寬度方向分布如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著橡膠塊厚度的增加，弧面接觸部位載荷均布性明顯提高，當t>30 mm時，傳遞載荷沿寬度方向已呈均布狀態，滿足試驗加載需求，考慮工程實際應用及實施成本等因素，設計橡膠塊最薄點t=30 mm，則有此時H為53 mm。

圖3 膠布帶與弧形曲面結構尺寸關系示意圖

圖4 壓向載荷傳遞分布仿真計算結果

圖5 不同厚度橡膠塊接觸面沿寬度方向傳載分布

2 試驗驗證

為了驗證上述大曲率弧面拉壓雙向加載方案設計的可行性，通過試驗進行分析。設計四段大曲率的弧形曲面結構，每段弧面結構粘貼新型膠布帶拉壓墊，利用液壓作動筒施加集中載荷，并通過杠桿系統將載荷按不同比例分別施加至弧面拉壓墊結構上，驗證試驗膠布帶拉壓墊-杠桿加載系統如圖6所示，驗證試驗照片如圖7所示。

在膠布帶拉壓墊粘貼位置曲面結構內側布置多組應變片，通過測量每段曲面結構加載后應變結果，計算出各段相應加載載荷結果，并與理論載荷分配結果進行對比，如表1所示。

從表1可以看出，驗證試驗液壓作動筒集中載

圖6 驗證試驗安裝示意圖

圖7 驗證試驗現場照片

表1 各弧面結構載荷分配結果

荷經杠桿系統載荷分配、新型膠布帶拉壓墊載荷傳遞后，曲面所承受加載載荷誤差均在1%以內，滿足加載誤差要求。

為驗證大曲率弧形曲面結構拉壓雙向加載方案的疲勞性能，驗證試驗共進行拉壓循環加載24萬次，試驗加載曲線如圖8所示。加載完成后，檢查膠布帶與弧面結構粘接面未出現脫膠、側滑現象，膠布帶、橡膠塊、加載底座等未見異常損傷，從而驗證了該方案疲勞性能、抗拉強度及壓載穩定性均滿足要求。

圖8 驗證試驗拉壓循環加載控制曲線

3 工程應用

某型號襟縫翼結構疲勞試驗中，縫翼為大曲率弧形曲面結構，試驗中其所受航向載荷為拉壓交變載荷，將大曲率弧形曲面結構雙向加載技術應用于縫翼載荷施加，試驗加載形式如圖9所示。

圖9 大曲率弧形曲面加載技術在某型號襟縫翼疲勞試驗中應用

圖10 某型號襟縫翼疲勞試驗縫翼應變測量結果

疲勞試驗靜態測量時，通過載荷逐級施加，采集縫翼翼面應變測量點42211301等的應變數據，與理論結果對比如圖10所示。通過應變結果對比可以看出，逐級加載后，應變測量結果線性良好，理論數據與試驗測量結果吻合性良好，試驗運行300起落后，檢查加載系統未見異常。該加載技術減少試驗膠布帶粘貼面積，便于試驗件檢查，同時拉壓雙向加載提高了試驗加載效率，加快了試驗運行效率。

通過數據分析及試驗運行結果可以看出，大曲率弧形曲面結構加載技術載荷施加準確，試驗實施可靠性、穩定性高，有效降低了試驗風險。

4 結論

通過對大曲率弧形曲面結構加載技術的研究、驗證及試驗應用，得到以下結論：

(1)針對大曲率弧形曲面結構的強度試驗加載技術合理可行，滿足加載需求。

(2)通過試驗驗證該加載技術載荷傳遞均勻，載荷分配滿足誤差要求，疲勞性能、抗拉強度及壓載穩定性均滿足要求。

(3)通過該技術在試驗中應用，提高了載荷施加精度，降低了試驗風險，有效縮短了試驗周期，加快試驗進度。