光纖測試技術在起落架靜強度試驗中的應用

陳慶童,楊廣根,王 宇

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001)

0 引言

起落架作為直升機的關鍵部位,對飛行安全有重要影響,是直升機設計和分析的關鍵[1]。適航規章對起落架靜強度試驗有明確的要求[2],在相關標準及規范中也有具體的試驗要求。傳統的起落架靜強度試驗,一般是采用電阻應變片測量方法實現起落架靜強度試驗的應變測量。傳統電阻應變片測量方法中,粘貼、走線布線以及組橋等步驟均耗費大量人力物力和時間;另外也容易受到外界環境(如溫度、濕度、電磁)等干擾因素的影響;且一個通道只能連接一片應變片用于單點測量,測量時需接大量的導線,較為繁瑣。

與傳統電阻應變測試方法相比,光纖光柵傳感技術[3-5]的優點在于:①抗電磁干擾,傳輸距離遠;②多個不同類型的傳感器可以在一條光纖上串接復用,增加了系統容量;③更少的連接線,因此會對測試物體產生更少的干擾;④光纖集傳感和傳輸于一身,光纖上任意一段既是敏感單元又是其他敏感單元的信息傳輸通道,可進行空間上的連續檢測,一次測量就可以獲取整個光纖區域內被測量的一維分布圖,如果將光纖布設成網狀,就可以得到被測量的二維和三維分布情況。

本文先進行光纖光柵應變基礎研究,將其研究結果應用到對起落架靜強度試驗的應變測量,并且與傳統電阻式應變片和仿真計算結果進行對比分析,進而評價所提出方法的有效性。

1 光纖光柵應變測試原理

光纖光柵測試是一種新型的應變測試方法,通過測量Bragg波長的偏移來實現試驗對象應變的測量。一束寬帶光入射到光纖光柵中,反射光波長λB為[3]

λB=2neffΛ

(1)

式中,Λ為光柵周期;neff為光纖纖芯的有效折射率。

光柵僅受載荷影響時,應變與波長偏移量關系[4]為

(2)

式中,ΔλB為波長偏移量:K為應變靈敏度:Pε為光纖的有效彈光系數。

光柵僅受溫度影響時,溫度與波長偏移量關系[3]為

(3)

式中,α為光纖熱膨脹系數;η為光纖的熱光系數;ΔT為被測物體溫度變化量。

將光纖光柵粘貼在物體表面測量應變時,光纖受到外載荷和溫度的共同作用,波長改變量為

(4)

被測物體在外載荷作用下產生的應變為

(5)

2 光纖光柵應變基礎

2.1 等強度梁結構試驗

為進行光纖光柵應變基礎研究,以等強度梁結構為研究對象。

將等強度梁一端固定約束在試驗臺架上,并在等強度梁的另一端施加一個集中力,加載示意如圖1所示。本試驗采用砝碼加載,載荷從0 kg以7 kg為遞增單位加到35 kg,加載過程中同步記錄應變數據。等強度梁尺寸見圖2,光纖光柵應變片粘貼見圖3。

圖1 標定試驗加載示意圖

圖2 等強度梁尺寸示意圖

圖3 等強度梁應變片位置圖

2.2 粘貼劑的選取

對粘貼劑的固化環境、固化時間、線性度、回零、附著力和耐高低溫進行測試。

等強度梁試驗得出不同的粘貼劑試驗數據見表1。

表1 膠粘劑試驗數據

通過圖4我們可以看出,535ND、天山805線性度較好。

圖4 載荷與波長的曲線圖

通過試驗對粘接劑的性能和適用性進行了分析及測試,粘接劑的測試情況總結如表2所示。

表2 粘接劑測試情況

經過測試,根據固化條件、固化時間、線性度、回零、附著力和耐高低溫等條件,最終選定了天山805膠,此膠在其他航空領域也已有應用。

2.3 光纖光柵的標定

由于光纖光柵測出的是波長,因此需要對同一批次的光纖光柵進行標定,以測出波長與應變之間的系數關系。通過等強度梁結構試驗求出應變與波長偏移量的關系,為光纖光柵傳感器在起落架靜強度試驗的應用提出計算依據。

光纖光柵標定試驗結果見表3。

表3 標定試驗結果表

ΔλB與微應變ε之間的關系如圖5所示。

圖5 ΔλB與微應變ε之間的關系圖

3 起落架強度試驗應用

3.1 試驗件及載荷狀態

為了驗證光纖光柵應變測試方法在直升機結構強度試驗方面的有效性,利用金屬起落架作為驗證對象,采用起落架金屬承力支柱一套,其中包括:外筒(45#鋼)、活塞桿(45#鋼)、大螺母、軸承、上腔底、下腔底、密封套筒、扭力臂(鋁)、撐桿(45#鋼)、堵油塞。起落架試驗載荷如表4所示。圖6為起落架結構示意圖。

表4 試驗載荷

3.2 應變測量點位置布置

為了驗證對比光纖光柵應變測量與傳統電阻式應變片測量的精度,在如圖7所示的起落架典型位置上布置3個應變測量點,同時采用光纖光柵應變測量及傳統電阻式應變片測量應變,并在每級載荷下記錄各位置的應變值。圖8為扭力臂上光纖光柵測量點布置與傳統電阻式應變片布置照片。

3.3 數值仿真計算

利用MSC.Natran軟件對金屬起落架進行受力分析。結構采用四面體單元模擬;連接螺栓通過梁單元模擬,約束連接搖臂接頭XYZ三個方向平動和轉動;載荷通過RBE2加載到下面耳片上。圖9為網格劃分圖,圖10為起落架的數值仿真計算結果云圖。

3.4 強度試驗方案

試驗前先通過向起落架密封腔中注入15#航空液壓油,調整活塞桿的壓縮行程至36 mm;然后將試驗件安裝至試驗臺架上,按試驗要求設計能同時滿足x向及y向載荷的加載接頭。x向載荷通過立柱上的作動器直接施加;y向載荷利用杠桿通過可調式龍門架上的作動器施加。試驗安裝示意圖如圖11和圖12所示。

圖12 試驗現場試驗照片

3.5 試驗結果對比

按表4中的試驗載荷的10%的增量逐級協調加載至100%試驗載荷時,保載3 s,然后卸載至零。每級載荷下測量應變值,并將試驗結果與數值仿真計算結果進行對比。表5為每級載荷下的光纖應變測量結果、電阻式應變片測量結果以及數值仿真計算結果。從表5可以看出,在滿載下光纖應變與傳統電阻式應變結果幾乎一致,且與理論計算結果接近。但是在低載時,由于實際試驗可能存在安裝間隙或者試驗件部件配合間隙等原因,兩種應變測量的所有結果與理論計算結果偏差都較大。

表5 試驗結果

圖13-圖15為應變測量點各級載荷級數下的應變測量結果。通過這三幅曲線圖可以看出,光纖應變測量結果與傳統應變測量結果趨勢以及應變大小基本一致,其中的微小差距可能是由于光纖應變測量和電阻應變片測量的貼片位置稍有不同而造成的。從這三幅圖可以得出光纖應變測量精度能滿足起落架靜強度試驗需求,可以應用于起落架靜強度試驗。

圖13 測點1應變結果

圖14 測點2應變結果

圖15 測點3應變結果

圖16為應變測量點的光纖測量結果、電阻應變片測量結果與數值仿真計算結果之間的相對誤差曲線圖。從該圖可以看出,在加載前期,三個測點的試驗結果與數值仿真結果相對誤差均偏大,可能是由于實際試驗件的裝配關系和理論模型稍有不同,存在安裝間隙或裝配間隙,導致在加載前期相對誤差偏大。后續隨著載荷級數的增加,間隙逐漸減小或消失,相對誤差逐漸減小。

圖16 應變測量與數值仿真結果相對誤差

4 結論

本文將光纖光柵傳感器應用于起落架靜強度試驗中,并將光纖光柵應變傳感器測量結果、傳統電阻式應變片測量結果與數值仿真計算結果進行了對比分析,得出結論如下:

1)在飛機起落架靜強度試驗中開展了光纖應變測量,對比分析結果驗證了光纖應變測量在飛機結構應變測量中的有效性,測量結果滿足工程精度要求,為機體結構靜強度試驗中應變測量提供了新思路;

2)在實際應用中,傳統電阻式應變片采用單點單線,且需要進行組橋相關操作,而光纖光柵傳感器在這方面具有非常大的優勢,特別是在測點較多的試驗中,可以大幅縮短試驗時間。