田振宇+翟曉+李強+姜文英

摘 要：主要介紹了組合試驗件復合載荷試驗方法及其啟示。這種方法不僅實現(xiàn)了驗證復合載荷之間對試驗件強度的交叉影響和產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強度的交叉影響，提高了火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷和邊界條件模擬的真實性，同時，還調(diào)用整合了多個獨立的試驗系統(tǒng)協(xié)同工作，并解決了多系統(tǒng)工作的時序控制難題，推動了靜力結(jié)構(gòu)試驗的系統(tǒng)化、集成化，在很大程度上縮短了試驗周期，降低了試驗成本。

關(guān)鍵詞：組合試驗件；水壓聯(lián)合；協(xié)同試驗；內(nèi)壓加載

中圖分類號：V435+.22 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.018

文章編號：2095-6835（2016）20-0018-02

在研制火箭發(fā)動機的過程中，為了判斷發(fā)動機結(jié)構(gòu)的實際工作性能，估計發(fā)動機結(jié)構(gòu)的承載能力，確定發(fā)動機結(jié)構(gòu)對使用要求的符合程度，驗證發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式的合理性和結(jié)構(gòu)計算方法的正確性，必須用一系列試驗的方法模擬載荷和邊界條件，觀察和研究火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的強度、剛度、穩(wěn)定性、應(yīng)力和變形分布情況。而應(yīng)用于火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)靜力試驗主要包括軸拉試驗、軸壓試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、彎剪聯(lián)合試驗、外壓試驗和內(nèi)壓試驗等。

在載荷和邊界條件模擬方面，單一試驗件單項靜力載荷試驗有天然的缺陷，其在使用經(jīng)典力學計算試驗載荷時，一般會采用多種簡化和假設(shè)、盡量減少未知量的方法。這種方法很難滿足載荷和邊界條件與真實飛行情況基本一致的試驗要求。為了提高火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)靜力試驗載荷和邊界條件模擬的真實性，提高火箭發(fā)動機的結(jié)構(gòu)靜力試驗的集成化和系統(tǒng)化，本文提出了一種采用組合試驗件復合靜力載荷試驗方法?；鸺l(fā)動機在進行結(jié)構(gòu)靜力試驗時，可同時調(diào)取其他彈體部件，比如艙段、尾翼等組成組合試驗件進行聯(lián)合試驗。試驗載荷可復合多類型試驗載荷，比如外載荷、內(nèi)壓和外壓等，試驗效率和試驗指導性均有很大的提高。

1 試驗系統(tǒng)和原理

1.1 試驗系統(tǒng)

并行式試驗加載系統(tǒng)主要包括多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，內(nèi)、外壓加載系統(tǒng)，各子系統(tǒng)彼此獨立，試驗時并行控制。

1.1.1 多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)

多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)是一套由計算機控制的多缸電液比例伺服系統(tǒng)。計算機通過控制電路啟動液壓系統(tǒng)電機向系統(tǒng)加壓，通過閥體控制每個通道上的作動筒動作，施加載荷至試件上。每個通道的加載狀態(tài)由力傳感器測量，并反饋給計算機，以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1.1.2 內(nèi)、外壓加載系統(tǒng)

在結(jié)構(gòu)靜力試驗中，在無特殊要求的一般性內(nèi)、外壓試驗中，均以水為加載介質(zhì)，其他介質(zhì)有油、氣等。由于要求的工作壓力和流量差別比較大，對水壓加載設(shè)備的要求也不同，所以，水壓加載系統(tǒng)一般由加壓水泵、操作臺和排水泵組成。

1.2 試驗原理和方法

組合試驗件復合靜力載荷試驗采用的是一種新型的復合型試驗思路，將原有結(jié)構(gòu)靜力試驗采用的以單個試驗件單項靜力載荷試驗為基本試驗單元的試驗方法擴展至以組合試驗件復合載荷試驗為基本試驗單元進行試驗。試驗時，將原有分離的單獨試驗件按總裝要求組裝成試驗組件，并按加載時序要求并行施加復合載荷。復合載荷可由外載荷、內(nèi)外壓載荷組合，復合載荷由單獨試驗加載子系統(tǒng)并行控制。

試驗時，固定工裝為試驗組件提供可靠的承力基礎(chǔ)和加載空間，試驗組件各組成件分別由水壓系統(tǒng)控制加載內(nèi)外壓載荷，由多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制經(jīng)邊界模擬工裝控制加載外載荷。2個加載系統(tǒng)同時加載，同時到達目標載荷。試驗數(shù)據(jù)由多參量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)一采集并記錄、分析。

2 組合試驗件復合靜力試驗方法

2.1 試驗裝配

殼體前接頭與前堵蓋裝配，后接頭與后堵蓋裝配，在過渡段內(nèi)安裝發(fā)動機殼體，在既定位置安裝過渡段固定工裝，并在固定工裝上安裝過渡段和裝配體，用于連接注水管和各類傳感器。同時，還要安裝軸壓試驗工裝和消除自重工裝，連接液壓系統(tǒng)并調(diào)試。試驗裝配如圖1所示。

2.2 試驗測試

在發(fā)動機和過渡架上布置應(yīng)變，本文采用20個單向應(yīng)變分析產(chǎn)品受載狀態(tài)。具體的應(yīng)變片原理是，受載時內(nèi)部電阻絲產(chǎn)生不同電阻，通過變化來測試應(yīng)變值的變化。

2.3 試驗加載

在殼體小端進水并打壓，在殼體大端加載軸向載荷，按照載荷要求加載。

2.4 試驗結(jié)果和分析

在整個試驗過程中，聯(lián)合試驗的試驗件沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，也沒有發(fā)出聲響。試驗結(jié)束后，卸載檢查試驗件外觀無異常，試驗結(jié)果如表1所示，試驗應(yīng)變趨勢如圖2所示。

從表1所示的應(yīng)變數(shù)據(jù)中可以看出，隨著載荷的增大，應(yīng)變數(shù)據(jù)也相應(yīng)增大，但是，最大應(yīng)變未超過3 000 με，理論上復合材料20 000 με破壞，所以，發(fā)動機整體性能穩(wěn)定，加載均勻性比較好。

3 結(jié)論

目前，該試驗方法在試驗室內(nèi)的應(yīng)用尚屬于初步應(yīng)用階段，僅限于兩件產(chǎn)品組合和2種載荷復合，未來可向多件產(chǎn)品組合

和多種載荷復合的方向發(fā)展，發(fā)展的動力和需求旺盛。綜上所述，本文提出的新型組合試驗件復合靜力載荷試驗方法具有很好的應(yīng)用前景。在日后的工作中，要主要注意以下幾點：①現(xiàn)今，傳統(tǒng)單向試驗無法滿足日益進步的考核要求，需加大對復合載荷的投入和研究；②復合載荷更加貼近產(chǎn)品實際受載情況，其結(jié)果具有重要的參考意義；③復合載荷試驗方法具有很強的適用性，發(fā)動機實際工作狀態(tài)必然是多種載荷聯(lián)合作用；④復合載荷試驗可減少試驗項目，更加精確的驗證發(fā)動機的承載能力。

4 試驗啟示

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法實現(xiàn)了對復合載荷之間、對試驗件強度的交叉影響和產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強度的交叉影響的考核。本文提出的試驗方法打破了以往驗證性試驗的傳統(tǒng)格局，以往靜力載荷試驗只能進行單件單載荷因子驗證，無法考核產(chǎn)品與產(chǎn)品之間、各載荷之間對試驗件強度的交叉影響，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法不僅實現(xiàn)了驗證復合載荷之間對試驗件強度的交叉影響，還實現(xiàn)了驗證產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強度的交叉影響，對產(chǎn)品的研發(fā)和改進有更加重要的指導意義。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法的試驗載荷和邊界條件更接近產(chǎn)品的真實工作情況。以往的試驗載荷和邊界條件經(jīng)過一系列的簡化后，產(chǎn)品的試驗狀態(tài)與產(chǎn)品真實工作狀態(tài)有不可忽視的差異，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法可以盡可能地復原以往試驗中被簡化的試驗載荷和邊界條件，試驗的模擬度更高、指導性更強。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法系統(tǒng)化、集成化更高。它不同于以往常規(guī)結(jié)構(gòu)靜力試驗，組合試驗件復合靜力載荷試驗方法采用了多系統(tǒng)并行協(xié)同工作，解決了多系統(tǒng)工作的時序控制難題，大力推動靜力結(jié)構(gòu)試驗向更高的系統(tǒng)化、集成化邁進。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法大大降低了試驗成本。以往對單個試驗件要分別進行多項單載荷靜力結(jié)構(gòu)試驗才能達到考核目標，而本文提出的試驗方法可以在一次試驗中同時完成組合產(chǎn)品在多種載荷下的考核，在實現(xiàn)考核目標的同時試驗量大為減少，極大地壓縮了試驗周期，降低了試驗成本。

組合試驗件復合靜力載荷試驗方法屬于新型的試驗方法，試驗集成度高、系統(tǒng)性強。該類試驗在結(jié)構(gòu)靜力試驗領(lǐng)域?qū)儆诩夹g(shù)集約型試驗項目，多種載荷復合試驗難度大，試驗時，必須考慮到載荷之間的干涉和約束情況。這種試驗方式主要驗證了多種載荷互相作用下的殼體承載能力，更加貼近殼體實際受載情況，可測得多種載荷對發(fā)動機的影響。

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