郭 瓊，鄭建軍，劉 瑋

（中國飛機強度研究所?全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點實驗室，陜西?西安?710065）

全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗是在試驗室環(huán)境下，通過對真實結(jié)構(gòu)施加外載的方式，模擬飛機在使用中可能遇到的受載情況。通過測量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（如應(yīng)力、變形、轉(zhuǎn)角、位移），驗證設(shè)計分析模型是否正確，考核設(shè)計要求是否達到，是對飛機結(jié)構(gòu)最接近真實的驗證，對于型號的研制和定型具有非常重要的意義。機翼作為飛機上用以產(chǎn)生升力的重要部件，是飛機主要的承載部件。通過機翼結(jié)構(gòu)承載能力試驗驗證，發(fā)現(xiàn)機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)改型和發(fā)展具有重要意義。靜力試驗載荷通常依據(jù)有限元結(jié)果經(jīng)過簡單處理給出，試驗中要經(jīng)過載荷簡化處理，變?yōu)樵囼灴墒┘虞d荷。因此，確保機翼載荷的精確等效和高效施加是試驗中一項重要工作。

目前，相關(guān)研究主要集中在機翼大變形情況的載荷處理和加載方法[1-4]，機翼載荷施加裝置的相關(guān)研究較少，以疲勞試驗中用到硬式加載系統(tǒng)或者接頭加載為主[5-7]。然而，膠布帶作為試驗中的一種施加單元，通過杠桿組裝形成加載模塊，可以高效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分布載荷的施加。因此，考慮到成本、試驗效率、便捷性等多方面因素，大型客機靜力試驗中機翼加載一般以膠布帶-杠桿系統(tǒng)為主。機翼膠布帶加載節(jié)點布置是飛機結(jié)構(gòu)靜力試驗設(shè)計中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)計，其布置的合理性對試驗加載精度具有較大影響。鑒于目前靜力試驗中膠布帶加載的相關(guān)研究較少，本文針對機翼翼面受載復(fù)雜、載荷施加精度要求高等問題，重點研究了試驗中滿足眾多試驗工況的翼面膠布帶設(shè)計方案，實現(xiàn)試驗載荷的高精度、高效率施加，旨在進一步提高機翼復(fù)雜載荷的處理及施加精度，同時提升膠布帶使用效率。

1 機翼膠布帶輕量模塊化設(shè)計

全機靜力試驗中機翼膠布帶大多數(shù)均布置在長桁與肋交點處，長軸方向平行于機翼翼梁。這樣的布置帶來了兩個問題：一是膠布帶數(shù)量龐大，粘貼工作量大，膠布帶使用效率低，翼面膠布帶覆蓋空間大，給機翼翼面測量點布置及測量線走線帶來困難，試驗后的可檢面積減少；二是在機翼大變形試驗加載過程中，由于加載方向和膠布帶長軸不垂直，存在膠布帶脫落風(fēng)險。針對上述問題，本文提出了一種雙梁式膠布帶輕量模塊化加載方法，具體方案流程圖如圖1所示。

圖1 ??具體方案流程示意

依據(jù)流程圖，膠布帶布置方案主要包含以下內(nèi)容。

（1）篩選載荷，組合設(shè)計工況：以機翼各肋與前后梁交點為節(jié)點，根據(jù)試驗任務(wù)書中所有工況試驗載荷篩選出每個節(jié)點的最大載荷，構(gòu)造一個新的“設(shè)計工況”。

（2）膠布帶數(shù)量確認(rèn)：依據(jù)設(shè)計工況載荷，假設(shè)每塊膠布均勻受力且達到最大承載能力，計算每個節(jié)點處所需的膠布帶塊數(shù)n=F/fmax。式中，fmax為對應(yīng)膠布帶最大承載能力，F(xiàn)為“設(shè)計工況”中該節(jié)點處載荷。

（3）膠布帶布置方案：依據(jù)結(jié)構(gòu)形式，所有膠布帶長軸方向均與肋平行，沿機翼前后梁一字排開。

（4）計算加載模塊合力點：根據(jù)各肋前、后梁膠布帶位置及載荷，計算該肋前梁合力點、后梁合力點。

（5）載荷等效計算：選擇一種載荷等效算法，將每一個全機工況載荷重新分配到膠布帶合力中心，等效過程盡量保證每個肋載荷和原始載荷誤差最小。

（6）承載是否滿足要求：根據(jù)等效載荷大小判斷每塊膠布帶載荷是否在承載能力范圍之內(nèi)，同時判斷結(jié)構(gòu)的局部承載能力是否滿足要求；通過多次循環(huán)最終完成機翼膠布帶設(shè)計。

（7）模塊化杠桿組合：將每個肋合力點膠布帶通過通用輔助杠桿模塊化，使其變?yōu)橐粋€整體加載模塊，以此為最小單位用于后續(xù)試驗的設(shè)計工作。

2 某大型客機機翼膠布加載方案

依據(jù)上述方案，實現(xiàn)了某大型客機機翼膠布帶及模塊化加載系統(tǒng)設(shè)計。原始載荷合力點為翼盒前后梁與肋交點，每個合力點有3個方向載荷，垂向載荷由機翼膠布帶承載。膠布帶布置盡可能靠近前后梁一字排開，試驗中載荷通過膠布帶直接傳至機翼主梁；對載荷方向和加載過程配置優(yōu)化，膠布帶長軸方向與肋線平行，確保試驗過程中加載方向始終與膠布帶長軸垂直。

載荷等效計算采用相鄰肋完全等效方法，將所有誤差在相鄰兩個肋之間消除。如圖2所示，圖中A、B、C、D分別為4個加載模塊合力點；以合力點載荷和原始前后肋載荷誤差最小為目標(biāo)函數(shù)，滿足垂向載荷合力點和載荷大小不變的基礎(chǔ)上求解合力點最優(yōu)載荷，是一個典型的多變量等式約束優(yōu)化問題。

圖2 ??載荷等效方案示意圖

載荷等效的目標(biāo)函數(shù)見式（1），不等式約束見式（2）～（4），通過Matlab編程求解得目標(biāo)函數(shù)。

設(shè)計完成的機翼膠布帶示意圖見圖3，最小化模塊加載示意圖見圖4。與以往同類型號機翼膠布帶加載方案比較，有顯著的優(yōu)點：

（1）膠布帶數(shù)量和載荷等效計算過程依靠程序自動化完成，設(shè)計工作高效、高準(zhǔn)確率；

（2）機翼膠布帶數(shù)量減少了近40%，大量降低了實施工作量，節(jié)省了試驗時間和成本；

（3）將膠布帶通過輔助杠桿模塊化，不同工況設(shè)計只需要少量聯(lián)合杠桿重構(gòu)即可完成加載點設(shè)計，大大降低了后期試驗設(shè)計的工作量；

（4）減少了載荷處理的中間過程，輔助杠桿末端合力點靠近機翼前后梁，使得試驗施加載荷更為準(zhǔn)確，機翼受載與傳力更加真實，同時為機翼主翼面留出足夠的空間粘貼應(yīng)變片和結(jié)構(gòu)檢測。

圖3 ??一種大型民機機翼膠布帶布置示意圖

圖4 ??模塊化加載單元示意圖

3 總????結(jié)

本文提出了一種大型客機全機靜力試驗中機翼膠布帶及模塊化加載裝置設(shè)計方法，解決了長翼展大展弦比機翼表面膠布帶覆蓋面積大、膠布帶粘貼工作量大、膠布帶使用效率低、機翼大變形存在拉脫風(fēng)險的問題，使機翼受載與傳力更加準(zhǔn)確，為機翼主翼面留出足夠的空間粘貼應(yīng)變片監(jiān)測機翼的傳力情況，使翼面干凈整潔，方便現(xiàn)場安裝與檢查。同時，模塊化杠桿設(shè)計大大縮短了試驗設(shè)計周期，為試驗的開展節(jié)省了大量時間。