某空中運(yùn)輸包裝箱系留強(qiáng)度試驗(yàn)研究

■ 潘維靈 吳燕斌

引言

采用空中運(yùn)輸已成為現(xiàn)代社會(huì)最為便利、快捷的運(yùn)輸方式之一，空中運(yùn)輸可以大大縮短運(yùn)輸時(shí)間，受外部環(huán)境約束也較小，在產(chǎn)品空中運(yùn)輸過(guò)程中，包裝箱需承受沖擊過(guò)載，包裝箱的系留強(qiáng)度影響運(yùn)輸產(chǎn)品安全性和可靠性[1]。

某運(yùn)輸類飛機(jī)共設(shè)計(jì)三種包裝箱，包裝箱系固在貨盤上，與貨盤整體裝載至機(jī)艙，系固后進(jìn)行空運(yùn)。

三種包裝箱采用相同的系固方式，為考核包裝箱系留強(qiáng)度，確保包裝箱運(yùn)輸安全性，對(duì)其中重量最大的包裝箱進(jìn)行系留強(qiáng)度靜力試驗(yàn)研究，對(duì)此類運(yùn)輸包裝箱系留方式及運(yùn)輸安全性優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

1 包裝箱系留方式

1.1 系留優(yōu)化

包裝箱初步系留方案：包裝箱上布置4 個(gè)系留環(huán)，包裝箱通過(guò)系留環(huán)直接系留固定在貨盤上，系留鋼索穿過(guò)包裝箱上自帶的系留環(huán)與貨盤上周圈系留點(diǎn)連接。

根據(jù)系固能力評(píng)估要求，空運(yùn)時(shí)的過(guò)載強(qiáng)度按Ⅱ級(jí)限動(dòng)評(píng)估。根據(jù)運(yùn)輸貨物需求，加大航向過(guò)載考慮。

經(jīng)有限元計(jì)算：

最大系留繩索載荷F為4348.01kg。

單個(gè)系留繩索許用最大載荷[F]為2500kg；貨盤系留點(diǎn)最大許用載荷[F]為3300kg。

單個(gè)系留繩索的剩余強(qiáng)度：

按照此系留環(huán)布置方案，系留綁帶及貨盤上系留點(diǎn)的強(qiáng)度不夠。

通過(guò)分析，對(duì)系留方案進(jìn)行了優(yōu)化：在重心高度以下增加一圈系留環(huán)，如圖1 所示。

圖1 改進(jìn)后系留方式

1.2 包裝箱系留強(qiáng)度評(píng)估

包裝箱通過(guò)上下兩排共8 個(gè)系留環(huán)，用16 根系留繩索與貨盤系固連接。

建立有限元模型，將包裝箱簡(jiǎn)化為實(shí)體單元，系留繩索建立成桿元模擬，受壓一側(cè)繩索給一個(gè)虛屬性面積為0.01mm2。載荷施加在重心平面處。通過(guò)約束系留繩索與貨盤連接處節(jié)點(diǎn)x、y、z 三個(gè)方向線位移，模擬繩索與貨盤的連接。通過(guò)約束包裝箱底部節(jié)點(diǎn)y 方向線位移，模擬貨盤對(duì)包裝箱的支持約束。

包裝箱載荷F 為667028N，改進(jìn)后有限元模型如圖2。

圖2 改進(jìn)后有限元模型圖

改進(jìn)后有限元計(jì)算結(jié)果如下：

最大系留繩索載荷F 為2472.5kg。

單個(gè)系留繩索許用最大載荷[F]為2500kg；貨盤系留點(diǎn)最大許用載荷[F]為3300kg。

則按式1 計(jì)算出單個(gè)系留繩索的剩余強(qiáng)度η 為1.01。

1.3 貨盤局部受壓強(qiáng)度評(píng)估

包裝箱向下過(guò)載時(shí)，載荷直接通過(guò)貨盤傳遞到飛機(jī)地板上。包裝箱底部為一圈法蘭。法蘭與貨盤接觸面積A 為2292.95cm2。貨盤許用壓應(yīng)力[σ]為60kg/cm2，貨盤壓應(yīng)力σ 為3.34kg/cm2。

貨盤的剩余強(qiáng)度：

貨盤局部受壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

1.4 包裝箱上系留環(huán)載荷

根據(jù)向前過(guò)載有限元計(jì)算結(jié)果，取節(jié)點(diǎn)載荷作為系留環(huán)載荷。最大節(jié)點(diǎn)載荷Fx 為-18808.5N，F(xiàn)y為-11752.92N，F(xiàn)z為9936.8N，合力

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)載荷選取

根據(jù)任務(wù)要求，試驗(yàn)選取包裝箱系留嚴(yán)重情況（向前過(guò)載、側(cè)向過(guò)載）進(jìn)行試驗(yàn)。

向前過(guò)載、側(cè)向過(guò)載試驗(yàn)載荷施加在包裝箱模擬件各方向載荷的加載接頭上，合力力線通過(guò)重心處。試驗(yàn)載荷如表1 所示。

表1 試驗(yàn)載荷

2.2 加載夾具設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件支持狀態(tài)采用試驗(yàn)夾具來(lái)支持，試驗(yàn)夾具真實(shí)模擬貨盤位置約束[2]，用系留鋼索將包裝箱模擬件系留至貨盤上后，對(duì)系留鋼索進(jìn)行預(yù)緊，然后通過(guò)8 個(gè)限位塊和16 個(gè)壓板將貨盤固定至模擬支持夾具上。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)有限元分析選取受力較大部位進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，共布置6 個(gè)單片，4 個(gè)花片。系留環(huán)、鋼索接頭結(jié)構(gòu)順結(jié)構(gòu)軸向貼片（單片），花片按逆時(shí)針0°、45°、90°方向貼片，0°片平行于X軸或Z 軸。位移測(cè)量點(diǎn)共布置2 個(gè)。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 加載實(shí)施

a）項(xiàng)目1 試驗(yàn)安裝及加載實(shí)施

項(xiàng)目1 的載荷方向?yàn)殇撍鬏S向，受載形式為拉向載荷。將試驗(yàn)用鋼索通過(guò)專用接頭安裝至固定夾具上，固定夾具用地腳螺栓固定至承力地軌上，在承力架上部安裝加載作動(dòng)器，保證加載作動(dòng)器加載軸線與鋼索軸向在同一直線上，作動(dòng)器端部連接調(diào)節(jié)螺套、力傳感器，由作動(dòng)器收縮來(lái)施加載荷。

為規(guī)范學(xué)校教育教學(xué)行為，尊重初中學(xué)生身心成長(zhǎng)規(guī)律，減輕學(xué)生過(guò)重的課業(yè)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)光趣，學(xué)校建立班主任審核、年級(jí)組長(zhǎng)把關(guān)、教務(wù)處和主管校長(zhǎng)督查的層層審核制度，確保嚴(yán)格執(zhí)行《作業(yè)報(bào)備制度》。同時(shí)，因?qū)W生個(gè)人能力問(wèn)題無(wú)法完成作業(yè)時(shí)，只要有家長(zhǎng)的簽字，允許“開啟作業(yè)報(bào)備綠色通道”，任課教師要對(duì)家長(zhǎng)的簽字給予認(rèn)可。此項(xiàng)工作做到了宣傳到位、及時(shí)記錄，得到了家長(zhǎng)們的一致認(rèn)可與好評(píng)。

b）項(xiàng)目2 試驗(yàn)安裝及加載實(shí)施

項(xiàng)目2 的載荷方向?yàn)閆 軸正向（即側(cè)向過(guò)載），受載形式為拉向載荷。將試驗(yàn)夾具安裝固定至承力地軌上，在包裝箱模擬件加載重心處安裝Z 軸正向加載接頭，然后連接加載螺套、力傳感器、作動(dòng)器后，由作動(dòng)器收縮來(lái)施加試驗(yàn)載荷，作動(dòng)器通過(guò)加載梁和作動(dòng)器固定板固定至承力墻上。

c）項(xiàng)目3 試驗(yàn)安裝及加載實(shí)施

項(xiàng)目3 的載荷方向?yàn)閄 軸正向（即向前過(guò)載），受載形式為拉向載荷。將試驗(yàn)夾具安裝固定至承力地軌上，在包裝箱模擬件加載重心處安裝X 軸正向加載接頭，然后連接加載螺套、力傳感器、作動(dòng)器后，由作動(dòng)器收縮來(lái)施加試驗(yàn)載荷。

2.4.2 測(cè)試測(cè)量方法

此項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試工作主要包括：應(yīng)變測(cè)試和位移測(cè)試。

應(yīng)變測(cè)試：采用電測(cè)法，在測(cè)點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片，通過(guò)粘貼溫度補(bǔ)償片消除溫度效應(yīng)；

位移測(cè)試：采用拉線式位移傳感器法，在各位移測(cè)量點(diǎn)處固定位移測(cè)量專用裝置并連接拉線式位移傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)位移傳感器伸縮量，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。

2.4.3 加載系統(tǒng)選取

加載試驗(yàn)設(shè)備選用MOOG 多通道伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)。此系統(tǒng)為全數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)，最大閉環(huán)迭代速率2.5kHz。每個(gè)控制通道與一個(gè)加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，SMC 處理器以2.5kHz 的頻率運(yùn)行MOOG 專利力回路模型的迭代計(jì)算，以控制液壓伺服作動(dòng)器的控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓伺服作動(dòng)器的精確控制，可保證系統(tǒng)的最大安全性。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有前端濾波的PIDF 調(diào)節(jié)，具有良好的穩(wěn)定裕度。

系統(tǒng)自診斷和故障診斷功能可提供故障代碼，給出基本原因提示，同時(shí)能自動(dòng)停止試驗(yàn)或執(zhí)行其它腳本定義動(dòng)作，可檢測(cè)傳感器工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)傳感器異常，自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)觸發(fā)保護(hù)。系統(tǒng)還配備一個(gè)應(yīng)急停按鈕，可以緊急切斷當(dāng)前試驗(yàn)的液壓子站，以保護(hù)試驗(yàn)安全。

系統(tǒng)可隨時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)、伺服閥控制參數(shù)[3]，控制器力控通道能自動(dòng)補(bǔ)償因長(zhǎng)導(dǎo)線電阻引起的橋路激勵(lì)電壓壓降，有效控制系統(tǒng)加載精度。

2.4.4 測(cè)試系統(tǒng)選取

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)任務(wù)書中測(cè)試需求分析，本次應(yīng)變和位移測(cè)量設(shè)備選用DH3820 高速靜態(tài)應(yīng)變（位移）測(cè)試系統(tǒng)，采樣率采用100 Hz，能測(cè)出結(jié)構(gòu)對(duì)模擬的試驗(yàn)載荷和環(huán)境條件的響應(yīng)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)給出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀數(shù)和曲線。

系統(tǒng)主要由高速靜態(tài)應(yīng)變（位移）測(cè)試分析儀、應(yīng)變計(jì)（位移傳感器）、工業(yè)級(jí)千兆交換機(jī)、工控計(jì)算機(jī)組成。測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片（位移傳感器）感受到測(cè)量信號(hào)，經(jīng)測(cè)試分析儀對(duì)信號(hào)調(diào)理放大并進(jìn)行濾波處理，然后由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并儲(chǔ)存，該測(cè)試系統(tǒng)自帶通道自檢功能，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)快速巡回自檢，對(duì)各通道應(yīng)變片工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，對(duì)連接不正常的通道報(bào)警提示，系統(tǒng)硬件還設(shè)計(jì)有自動(dòng)調(diào)零功能，調(diào)零后不影響系統(tǒng)的測(cè)量量程；系統(tǒng)可根據(jù)橋路類型、導(dǎo)線電阻等自動(dòng)完成對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正，保證了測(cè)量精度。

2.5 試驗(yàn)

通過(guò)調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)PID 參數(shù)，調(diào)整作動(dòng)器響應(yīng)、載荷跟隨情況，直到滿足試驗(yàn)要求。應(yīng)變系統(tǒng)連接完畢后進(jìn)行各通道參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行通道自檢，排除故障點(diǎn)后進(jìn)入加載控制系統(tǒng)與測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)步驟，通過(guò)調(diào)節(jié)靜踏步時(shí)間限、報(bào)警上下限等參數(shù)，以達(dá)到安全控制、實(shí)時(shí)同步采集、準(zhǔn)確記錄的效果，滿足試驗(yàn)所需后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

按國(guó)軍標(biāo)及試驗(yàn)要求中的試驗(yàn)順序，分別完成了項(xiàng)目1 單套鋼索承載能力試驗(yàn)、項(xiàng)目2 側(cè)向過(guò)載的100%設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)和項(xiàng)目3 向前過(guò)載的100%設(shè)計(jì)載荷試驗(yàn)。其中，項(xiàng)目2 和項(xiàng)目3 試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)每一級(jí)加載均進(jìn)行了應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

項(xiàng)目1 試驗(yàn)加載至100%設(shè)計(jì)載荷時(shí)，加載系統(tǒng)正常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，按加載步長(zhǎng)繼續(xù)加載至170%設(shè)計(jì)載荷時(shí)，試驗(yàn)用系留鋼索斷裂，試驗(yàn)中止。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查：試驗(yàn)用系留鋼索在調(diào)節(jié)夾緊裝置處出現(xiàn)斷裂及斷絲。

項(xiàng)目2 和項(xiàng)目3 試驗(yàn)均加載至100%設(shè)計(jì)載荷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查：包裝箱模擬件、貨盤及16 根系留鋼索均未出現(xiàn)肉眼可見的變形及局部破壞。

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)加載誤差均不超過(guò)0.1%，所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均小于材料的屈服極限，包裝箱系留強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果滿足GJB 67.9—1985 的相關(guān)要求。

后經(jīng)包裝箱實(shí)際地面裝卸試驗(yàn)驗(yàn)證，其系留強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

本文立足于某運(yùn)輸類飛機(jī)運(yùn)輸包裝箱系留設(shè)計(jì)要求及系留特點(diǎn)，確定了包裝箱系留強(qiáng)度試驗(yàn)方案，該方案充分考慮了加載和測(cè)試方法設(shè)計(jì)，通過(guò)系留強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及地面實(shí)際裝卸試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系留方式安全可靠，符合實(shí)際使用要求，為該類運(yùn)輸包裝箱安全運(yùn)輸提供了保障。