李洪文+劉崇銳+李揚眉+姜小玉+王凱+賀偉

摘 要：針對現(xiàn)代戰(zhàn)機垂尾動態(tài)疲勞試驗設(shè)計一套一體化加載框架，主要介紹了一體化框架在飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中的設(shè)計流程及要點，驗證了一體式框架在動態(tài)疲勞試驗中的可行性。

關(guān)鍵詞：一體化框架;垂尾;動態(tài)疲勞;抖振試驗

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

現(xiàn)代戰(zhàn)機結(jié)構(gòu)強度試驗需要模擬大攻角飛行時飛機尾翼及后機身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈振動情況，即尾翼、后機身抖振試驗，澳大利亞就針對F/A-18后機身和尾翼進行了動態(tài)疲勞試驗，如圖1。在飛機垂尾動態(tài)疲勞試驗中，一體化框架是很重要的結(jié)構(gòu)，既要解決加載設(shè)備的固定、載荷的施加等問題，又要方便試驗件的安裝、檢測，同時需要結(jié)構(gòu)緊湊，美觀實用。本文以我國某型飛機動態(tài)疲勞試驗為例，介紹在抖振試驗中一體化框架設(shè)計流程和思路。

圖1 ?F/A-18后機身和尾翼進行了動態(tài)疲勞試驗

1 ?一體化框架技術(shù)指標(biāo)

某型飛機動態(tài)疲勞試驗加載結(jié)構(gòu)如圖2 所示，試驗條件如下：加載設(shè)備，每套自重G（左右垂尾各一套）;加載設(shè)備施加靜載（合力）F1，沿翼面垂直方向;加載設(shè)備施加振動推力F2，工作頻率：f ，沿翼面垂直方向;垂尾外傾a（°）。

圖2 ?加載結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2加載結(jié)構(gòu)，通過比較選擇雙跨雙坡固定支座鋼架門式結(jié)構(gòu)，加載設(shè)備吊裝在龍門架上，結(jié)構(gòu)簡化示意如圖3所示，沿飛機航向前后共三排，將整套加載設(shè)備包含在內(nèi)。

圖3 ?一體化框架結(jié)構(gòu)簡化示意圖

2 ?詳細設(shè)計

一體化框架設(shè)計重點要把所受載荷進行簡化、分解，確定每個部件所受載荷情況，進而細化到部件內(nèi)部型材、連接件等基本單元受力情況，據(jù)此就可以選擇合適材料及結(jié)構(gòu)。以此框架為例：

2.1 ?分析主要部件受載情況

框架為左右對稱結(jié)構(gòu)，試驗過程中受載也是對稱的，所以此處可以選取半結(jié)構(gòu)進行受力分析，鋼結(jié)構(gòu)框架可以忽略自身重力情況下，受載如圖4。

圖4 ?結(jié)構(gòu)受力簡化分析圖

可知梁共承受G，F(xiàn)，M三種載荷，可分別計算然后疊加主要有兩種計算方法：

（1）以加載設(shè)備自重載荷G為例，因為受力情況典型且簡單，可以直接運用公式求得：

彎矩：

剪力：

撓度：

式中：FP為垂直桿分力;E為材料彈性模量;I為截面的軸慣性矩。

根據(jù)結(jié)果可以畫出剪力-彎矩圖

（2）非典型情況也可以利用力法典型方程：同樣以加載設(shè)備自重載荷G為例，取懸臂梁為基本系，解除超靜定，可知為3次超靜定結(jié)構(gòu)，建立力法典型方程：

式中：Fi為待求解的未知力;δxy為外載荷單獨作用在基本系上且Fi=1時，作用點沿Fi方向的位移;Δip為外載荷單獨作用在基本系上時，作用點沿Fi方向位移。綜上所述，系數(shù)和自由項都表示位移，可用位移計算公式進行計算。

求得多余未知力后，結(jié)合計算過程中已做出的單位彎矩圖和載荷彎矩圖，根據(jù)疊加原理可求出內(nèi)力并繪制內(nèi)力圖。

在進行超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算時，由于基本結(jié)構(gòu)在外載荷及多余未知力的工作作用下的受力情況和變形情況與原結(jié)構(gòu)完全相同，故計算原結(jié)構(gòu)的位移就可直接在基本系上進行。這樣，超靜定結(jié)構(gòu)的位移計算轉(zhuǎn)化為靜定問題，用圖乘法就可以求解了。

由于柱-梁采用固支，求得主要梁兩端支點受力情況，根據(jù)作用力與反作用力原則，可知立柱頂端受載情況，同理，其他部件的受載可利用該原則遞次順序確定。

2.2 ?分析主要構(gòu)件受載情況

如3.1所求得主要部件受力情況，分解到基本單元——型材的受載情況，計算彎曲應(yīng)力，剪切應(yīng)力?？珊喕沙o定結(jié)構(gòu)下桿件的拉-彎-扭等組合受力情況，根據(jù)不同情況校核拉伸（壓縮）、擠壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓桿穩(wěn)定以及多向應(yīng)力下強度條件等，這些都是典型且基本的力學(xué)問題，本文不做過多介紹。

2.3 ?連接設(shè)計

部件之間、型材之間連接很重要，構(gòu)架的失效往往出現(xiàn)在連接部位，同時，有限元分析有時不能很好模擬連接部位的實際情況及邊界條件，存在很大的不確定性，所以設(shè)計過程中要有足夠的考慮。

（1）焊縫連接：承受振動載荷的框架，部件之間主要連接方式采用螺栓連接，部件本身需要采用焊縫工藝的，建議采用深熔角焊縫，要求必須焊透。避免用焊角大于135°小于60°的斜角焊縫。如圖5：

圖5 ?焊縫結(jié)構(gòu)簡化示意圖

其中hf為焊角尺寸，也叫焊縫厚度，取值一般，t為母材厚度;he有效焊縫厚度角焊縫強度計算公式如下：

式中：M為焊縫所受彎矩;We全部焊縫有效截面模量;N⊥為垂直于焊縫長度方向作用力;N∥為平行于焊縫長度方向作用力;βf正面角焊縫的強度設(shè)計增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接動力荷載的結(jié)構(gòu)， βf=1.22，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.0;lw焊縫計算長度，一般取值實際長度減去2hf，同時要求滿足8hf≤lw≤60hf;f wf為角焊縫強度設(shè)計值，可以查手冊得出。

（2）螺栓連接：采用高強度螺栓的摩擦型連接設(shè)計方法，它依靠連接板件間的摩擦阻力來承受荷載，并以剪力不超過接觸面摩擦力作為設(shè)計準(zhǔn)則。簡單受力情況下螺栓校核受拉、受剪、以及接觸面的擠壓，此處不做過多介紹。主要介紹在高強度螺栓摩擦型連接設(shè)計原則下，螺栓群同時承受拉壓載荷的計算過程。如圖6所示。

圖6 ?螺栓群連接示意圖

要求螺栓強度滿足：

式中：m為螺栓的列數(shù);y1為最上端螺栓至中和軸距離，坐標(biāo)原點在螺栓群中心;P為高強螺栓預(yù)緊力，可查手冊得出;nf為傳力摩擦面數(shù)目，單剪時取1，雙剪時取2;μ為摩擦面抗滑移系數(shù)，可查手冊得出。

2.4 ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)受力情況及計算結(jié)果，最終優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 ?一體化框架三維模型圖及實際安裝圖

主要部件功能：

上固定盤——主要承受加載設(shè)備重量及大部分試驗載荷，同時承擔(dān)安裝過程中加載設(shè)備的起吊工作，型鋼之間可以安裝氣囊加載設(shè)備的輔助工具如儲氣罐等;

下支撐盤——主要承受側(cè)向試驗載荷，避免較大彎矩的傳遞對上固定盤影響，輔助承擔(dān)垂向載荷，同時作為檢查平臺可以方便人員就近觀察試驗件情況;

坡式橫梁——起主要梁作用，同時滿足加載設(shè)備對試驗角度要求;

前、后排立柱——起主要立柱作用，承擔(dān)加載設(shè)備重量、試驗載荷及構(gòu)架自身重量，同時承擔(dān)與地面固定作用;

中間立柱——主要支撐下支撐盤作用，考慮加載設(shè)備側(cè)向進出安裝，降低對廠房高度的要求，故優(yōu)化降低中間立柱高度，不承擔(dān)支撐上固定盤的作用。

中間外伸梁——承擔(dān)坡式橫梁一側(cè)支撐作用，同時讓出試驗件空間，方便試驗件的固定及進出。

用Abaqus進行有限元分析，強度安全系數(shù)在4以上，剛度及模態(tài)分析如圖8所示。

圖8 ?一體化框架剛度及模態(tài)分析圖

3 ?設(shè)計要點

（1）材料的選擇。比較常用的是Q235和Q345，當(dāng)強度起控制作用時，可選擇Q345;穩(wěn)定控制時，宜使用Q235。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。從經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的焊接組合截面（翼緣Q345，腹板Q235）。另外，焊接結(jié)構(gòu)宜選擇Q235B或Q345B。

（2）通過選取截面尺寸大、壁較薄型材，設(shè)計合適位置的支托以及斜撐等措施，增加框架剛度，避免影響加載設(shè)備的安裝及對加載精度的影響。

（3）盡量增加框架底部柱腳間斜撐及壓梁，一個作用增加整體穩(wěn)定性，降低振動影響;另一個作用在于降低整體重心，提高自身模態(tài)，避免引起工作區(qū)域頻率的共振。

（4）框架本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定其自身模態(tài)不會很高，通過結(jié)構(gòu)上的改進只能達到事倍功半的效果，且失去了鋼結(jié)構(gòu)輕便的優(yōu)點。在避免引起共振的措施上采用在振動設(shè)備上安裝空氣減振器的方法解決，通過2 Hz頻率的隔振，可以有效避免框架對自身模態(tài)的影響（自身頻率高于其頻率的3倍以上）。

（5）在螺栓連接的接觸面上，采用噴砂（丸）處理，以增加摩擦面的抗滑移系數(shù)μ值;采用承托板或掛鉤結(jié)構(gòu)，避免螺栓受全部剪力。常用高強螺栓在M16～M30之間選擇，超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，應(yīng)慎重使用，如圖9所示。

圖9 ?連接示意圖

（6）采用對接焊縫的結(jié)構(gòu)件，要求二級探傷標(biāo)準(zhǔn)，由于焊縫質(zhì)量為一級、二級的對接焊縫的強度與母材相等，即只要鋼材強度已經(jīng)滿足要求，則焊縫強度同樣能滿足要求（有引弧板時），故只有三級質(zhì)量的焊縫在受拉時才需要進行焊縫抗拉強度計算。如果直縫不能滿足要求，可采用斜對接焊縫，當(dāng)焊縫與作用力之間的夾角θ滿足tan θ≤1.5時（θ≤56.3°），斜焊縫的強度不低于母材，可不必再驗算焊縫。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對應(yīng)Q235，E50對應(yīng)Q345， Q235與Q345連接時，應(yīng)該選擇低強度的E43，而不是E50。

（7） 設(shè)計要考慮在起吊安裝過程中上固定盤會單獨承擔(dān)加載設(shè)備及自身重量，強度及剛度要滿足，同時，吊環(huán)的位置也很重要，不能產(chǎn)生吊裝變形，防止與坡式橫梁上安裝孔不能很好對接。也要考慮一體式框架在安裝工程中，會是半結(jié)構(gòu)承載形式，與試驗過程中的對稱受載情況不同，在這種情況下，對框架的強度及剛度要單獨驗算符合承力要求或?qū)?gòu)架采取臨時支托與保護。

（8）在設(shè)計過程中，要充分考慮運輸、安裝的方便性，在不影響強度等的條件下，減小單個零部件的尺寸，這樣也可降低采購及加工費用，同時可降低吊裝過程中對環(huán)境空間的要求，包括廠房高度，吊車噸位，地面強度等。

（9）剛接柱腳的構(gòu)造要求是能同時傳遞軸力N和彎矩M。柱腳構(gòu)造要保證傳力明確，它與基礎(chǔ)的連接要堅固，并要便于制造和安裝，柱腳設(shè)計要充分考慮混凝土及灰土層承載能力。

（10）節(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。

（11）本次設(shè)計一體化框架用于振動疲勞試驗，設(shè)計過程除了考慮靜載荷作用，也不能忽略動載荷的影響。結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)與結(jié)構(gòu)的動力特性密切相關(guān)，而結(jié)構(gòu)的動力特性是結(jié)構(gòu)其本身的固有性質(zhì)，與載荷無關(guān)，因此，分析結(jié)構(gòu)的自由振動是動力計算的前提，其基本原理是達朗貝爾原理，也稱動靜法。本次一體化框架設(shè)計采用軟件有限元分析整體結(jié)構(gòu)前十階模態(tài)作為設(shè)計依據(jù)。

（12）一體化框架設(shè)計軟件的選擇，較全面及專業(yè)的國內(nèi)軟件是PKPM，界面清晰易懂，內(nèi)容權(quán)威，另外就是3D3S，建模方便，國外軟件可選用SAP2000;側(cè)重繪圖一般可優(yōu)選AUTOCAD，TSSD;側(cè)重平面桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移計算的可采用清華大學(xué)袁駟教授研制的結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)軟件可以為設(shè)計人員降低工作量，需要強調(diào)的是，任何一款軟件在優(yōu)化設(shè)計或復(fù)雜連接處的驗算都存在不同程度的問題，工程師們過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件有可能帶來結(jié)構(gòu)災(zāi)難，所以，尤其對于節(jié)點連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，我們應(yīng)該逐個檢查。本次一體化框架設(shè)計由于考慮與試驗件模型的兼容，三維建模選用了CATIA，二維繪圖選用了AUTOCAD及CAXA。

4 ?創(chuàng)新點

（1）首次將一體式框架引入動態(tài)疲勞試驗中，驗證了一體化框架在振動試驗中使用的可行性，梳理了設(shè)計設(shè)計流程和設(shè)計要點;

（2）首次將坡式結(jié)構(gòu)龍門架引入飛機強度試驗中，為一體式框架的結(jié)構(gòu)形式提供了更多的選擇思路;

（3）首次采取將框架搭建好，最后將飛機推入的工作順序，為試驗件的安全防護提出了新的解決方案

5 ?結(jié) ?語

一體化框架主要部件及型材的受力，復(fù)雜情況下也無非是彎—剪—扭組合，可逐一計算進行疊加，繪制出剪力彎矩圖即可弄清各結(jié)構(gòu)的受力情況。設(shè)計重點還是要關(guān)注連接部位及節(jié)點，該處是很復(fù)雜也是最容易出現(xiàn)失效情況的部位，必要時要進行驗證性試驗，取得關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

一體化框架技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中的應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢，以往的使用經(jīng)驗都是在靜力/疲勞試驗中的應(yīng)用，此次首次應(yīng)用于抖振試驗，通過新的設(shè)計流程及方法，驗證了一體式框架在飛機結(jié)構(gòu)試驗中的可行性和先進性，為以后該項技術(shù)的進一步發(fā)展應(yīng)用提供了思路。

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