某空中運輸包裝箱系留強度試驗研究

潘維靈 吳燕斌

摘？要：基于某運輸類飛機運輸包裝箱的研制需要，提出運輸包裝箱系留強度試驗方案，首先根據運輸包裝箱系留方式進行強度校核，確定系留方式，通過有限元分析選取試驗載荷及測點位置，詳細優化加載及測試方法，并開展試驗研究。經系留強度試驗及地面實際裝卸驗證，結果表明此試驗方案科學合理，加載誤差可控制在0.1%范圍內，達到了驗證包裝箱系留強度是否滿足設計和使用需求的目的。

關鍵詞：空中運輸；包裝箱；系留強度；靜力試驗；試驗方案

引言

采用空中運輸已成為現代社會最為便利、快捷的運輸方式之一，空中運輸可以大大縮短運輸時間，受外部環境約束也較小，在產品空中運輸過程中，包裝箱需承受沖擊過載，包裝箱的系留強度影響運輸產品安全性和可靠性[1]。

某運輸類飛機共設計三種包裝箱，包裝箱系固在貨盤上，與貨盤整體裝載至機艙，系固后進行空運。

三種包裝箱采用相同的系固方式，為考核包裝箱系留強度，確保包裝箱運輸安全性，對其中重量最大的包裝箱進行系留強度靜力試驗研究，對此類運輸包裝箱系留方式及運輸安全性優化具有重要指導意義。

1 包裝箱系留方式

1.1 系留優化

包裝箱初步系留方案：包裝箱上布置4個系留環，包裝箱通過系留環直接系留固定在貨盤上，系留鋼索穿過包裝箱上自帶的系留環與貨盤上周圈系留點連接。

根據系固能力評估要求，空運時的過載強度按Ⅱ級限動評估。根據運輸貨物需求，加大航向過載考慮。

經有限元計算：

最大系留繩索載荷F為4348.01kg。

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

按照此系留環布置方案，系留綁帶及貨盤上系留點的強度不夠。

通過分析，對系留方案進行了優化：在重心高度以下增加一圈系留環，如圖1所示。

1.2 包裝箱系留強度評估

包裝箱通過上下兩排共8個系留環，用16根系留繩索與貨盤系固連接。

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

包裝箱載荷F為667028N，改進后有限元模型如圖2。

改進后有限元計算結果如下：

最大系留繩索載荷F為2472.5kg。

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

則按式1計算出單個系留繩索的剩余強度η為1.01。

1.3 貨盤局部受壓強度評估

2 試驗方案

2.1 試驗載荷選取

根據任務要求，試驗選取包裝箱系留嚴重情況（向前過載、側向過載）進行試驗。

向前過載、側向過載試驗載荷施加在包裝箱模擬件各方向載荷的加載接頭上，合力力線通過重心處。試驗載荷如表1所示。

2.2 加載夾具設計

試驗件支持狀態采用試驗夾具來支持，試驗夾具真實模擬貨盤位置約束[2]，用系留鋼索將包裝箱模擬件系留至貨盤上后，對系留鋼索進行預緊，然后通過8個限位塊和16個壓板將貨盤固定至模擬支持夾具上。

2.3 測點布置

通過有限元分析選取受力較大部位進行應變測試，共布置6個單片，4個花片。系留環、鋼索接頭結構順結構軸向貼片（單片），花片按逆時針0°、45°、90°方向貼片，0°片平行于X軸或Z軸。位移測量點共布置2個。

2.4 試驗方法

2.4.1 加載實施

a）項目1試驗安裝及加載實施

項目1的載荷方向為鋼索軸向，受載形式為拉向載荷。將試驗用鋼索通過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器，保證加載作動器加載軸線與鋼索軸向在同一直線上，作動器端部連接調節螺套、力傳感器，由作動器收縮來施加載荷。

b）項目2試驗安裝及加載實施

項目2的載荷方向為Z軸正向（即側向過載），受載形式為拉向載荷。將試驗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、作動器后，由作動器收縮來施加試驗載荷，作動器通過加載梁和作動器固定板固定至承力墻上。

c）項目3試驗安裝及加載實施

項目3的載荷方向為X軸正向（即向前過載），受載形式為拉向載荷。將試驗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、作動器后，由作動器收縮來施加試驗載荷。

2.4.2 測試測量方法

此項試驗測試工作主要包括：應變測試和位移測試。

應變測試：采用電測法，在測點位置粘貼應變片，通過粘貼溫度補償片消除溫度效應；

位移測試：采用拉線式位移傳感器法，在各位移測量點處固定位移測量專用裝置并連接拉線式位移傳感器，通過監測位移傳感器伸縮量，實現位移測量。

2.4.3 加載系統選取

加載試驗設備選用MOOG多通道伺服協調加載系統。此系統為全數字閉環控制系統，最大閉環迭代速率2.5kHz。每個控制通道與一個加載執行機構相連，SMC處理器以2.5kHz的頻率運行MOOG專利力回路模型的迭代計算，以控制液壓伺服作動器的控制信號，最終實現對液壓伺服作動器的精確控制，可保證系統的最大安全性。系統還設計有前端濾波的PIDF調節，具有良好的穩定裕度。

系統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，同時能自動停止試驗或執行其它腳本定義動作，可檢測傳感器工作狀態，如發現傳感器異常，自動報警、自動觸發保護。系統還配備一個應急停按鈕，可以緊急切斷當前試驗的液壓子站，以保護試驗安全。

系統可隨時調整PID參數、伺服閥控制參數[3]，控制器力控通道能自動補償因長導線電阻引起的橋路激勵電壓壓降，有效控制系統加載精度。

2.4.4 測試系統選取

通過對試驗任務書中測試需求分析，本次應變和位移測量設備選用DH3820高速靜態應變（位移）測試系統，采樣率采用100 Hz，能測出結構對模擬的試驗載荷和環境條件的響應，系統能實時給出試驗數據的讀數和曲線。

系統主要由高速靜態應變（位移）測試分析儀、應變計（位移傳感器）、工業級千兆交換機、工控計算機組成。測試時，應變片（位移傳感器）感受到測量信號，經測試分析儀對信號調理放大并進行濾波處理，然后由工業控制計算機對數據進行采集并儲存，該測試系統自帶通道自檢功能，可進行現場多點快速巡回自檢，對各通道應變片工作狀態進行檢查 ，對連接不正常的通道報警提示，系統硬件還設計有自動調零功能，調零后不影響系統的測量量程；系統可根據橋路類型、導線電阻等自動完成對測量結果的修正，保證了測量精度。

2.5 試驗

通過調節加載系統PID參數，調整作動器響應、載荷跟隨情況，直到滿足試驗要求。應變系統連接完畢后進行各通道參數設置并進行通道自檢，排除故障點后進入加載控制系統與測試系統聯調步驟，通過調節靜踏步時間限、報警上下限等參數，以達到安全控制、實時同步采集、準確記錄的效果，滿足試驗所需后進行后續試驗。

按國軍標及試驗要求中的試驗順序，分別完成了項目1單套鋼索承載能力試驗、項目2側向過載的100%設計載荷試驗和項目3向前過載的100%設計載荷試驗。其中，項目2和項目3試驗，對應每一級加載均進行了應變、位移數據采集。

3 試驗結果及分析

項目1試驗加載至100%設計載荷時，加載系統正常，試驗數據穩定，按加載步長繼續加載至170%設計載荷時，試驗用系留鋼索斷裂，試驗中止。經現場檢查：試驗用系留鋼索在調節夾緊裝置處出現斷裂及斷絲。

項目2和項目3試驗均加載至100%設計載荷，經現場檢查：包裝箱模擬件、貨盤及16根系留鋼索均未出現肉眼可見的變形及局部破壞。

經試驗數據分析，試驗加載誤差均不超過0.1%，所有測點應力均小于材料的屈服極限，包裝箱系留強度試驗結果滿足GJB 67.9—1985的相關要求。

后經包裝箱實際地面裝卸試驗驗證，其系留強度滿足設計需求。

4 結論

本文立足于某運輸類飛機運輸包裝箱系留設計要求及系留特點，確定了包裝箱系留強度試驗方案，該方案充分考慮了加載和測試方法設計，通過系留強度試驗結果及地面實際裝卸試驗，驗證了該系留方式安全可靠，符合實際使用要求，為該類運輸包裝箱安全運輸提供了保障。

參考文獻

[1]王偉，常新龍等.基于應力-強度模型某包裝箱結構強度分析[J].裝備制造技術，2019（10）：27-30，61.

[2]GJB 67.9A-2008.軍用飛機結構強度規范 第9部分：地面試驗[S].北京：中國人民解放軍空軍，2008.

[3]張永興，趙洪偉.電液伺服閥和非對稱液壓缸匹配特性的試驗研究[J].工程與試驗，2016，56（2）：13-16.

（作者單位：陜西飛機工業有限責任公司）