張園麗

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

攔阻鉤是一種安裝在飛機(jī)尾部的攔阻裝置，其作用是使高速飛行的艦載機(jī)在艦船甲板上有限的飛行距離內(nèi)順利著陸，這就需要攔阻裝置對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的減速度不能對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及飛行員造成傷害，且能吸收大量能量而不破壞。因此，攔阻鉤的強(qiáng)度對(duì)艦載機(jī)著艦安全至關(guān)重要。攔阻鉤靜強(qiáng)度試驗(yàn)是攔阻鉤強(qiáng)度考核的一項(xiàng)必要試驗(yàn)，由于其試驗(yàn)載荷大、加載和約束空間狹小，這對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了較高要求。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)攔阻鉤系統(tǒng)的研究已取得了較為成熟的技術(shù)成果，在攔阻鉤的研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域形成了相關(guān)的規(guī)范性文件[4]，但是在地面試驗(yàn)中仍需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證和測(cè)試。本文通過對(duì)雙緩沖器雙桿式攔阻鉤的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出了試驗(yàn)的最大載荷與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)及夾具之間的關(guān)系，形成了適用于工程試驗(yàn)的攔阻鉤靜強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法。

2 試驗(yàn)工況

綜合分析艦載機(jī)著艦時(shí)攔阻鉤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(見圖1)及攔阻系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的參數(shù)，進(jìn)行地面研發(fā)試驗(yàn)時(shí)，常對(duì)攔阻鉤受力的兩種極限情況進(jìn)行考核，一種為垂向彎矩工況，一種為偏心偏航攔阻工況。

圖1 著艦時(shí)攔阻鉤運(yùn)動(dòng)軌跡

偏心偏航攔阻工況為艦載機(jī)拉緊攔阻索，與正向跑道中心線成最大偏角的情況。此工況由于兩側(cè)攔阻索的拉力不等，對(duì)攔阻鉤產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向攔阻的載荷。工程試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行極限考核，忽略緩沖器的側(cè)向攔阻作用，攔阻鉤的鉤頭偏轉(zhuǎn)至最大偏角，攔阻載荷力線與攔阻鉤的鉤桿在同一平面，對(duì)攔阻鉤的抗拉能力進(jìn)行考核。

垂向彎矩工況多為艦載機(jī)攔阻鉤觸艦或與甲板碰撞階段，此階段攔阻鉤與艦面或鋼索正向碰觸，攔阻鉤繞機(jī)身鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。工程試驗(yàn)中選取垂向最大彎矩的臨界條件，將攔阻鉤與機(jī)身連接部位和緩沖器連接的部位定為固支約束，在攔阻鉤中心線的鉤喉處施加垂向載荷，對(duì)攔阻鉤的抗彎能力進(jìn)行考核。

3 偏心偏航攔阻工況試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 偏心偏航攔阻工況的加載夾具設(shè)計(jì)

偏心偏航攔阻工況對(duì)加載夾具的強(qiáng)度要求比較高，此時(shí)施加在鉤喉上的平面載荷最大，對(duì)試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)考核最嚴(yán)重，所以需要根據(jù)鉤喉的參數(shù)來設(shè)計(jì)加載夾具。

影響加載夾具強(qiáng)度的主要因素為加載夾具的承力截面及材料特性。在常規(guī)試驗(yàn)中，常用的加載夾具材料為鋼索、Q235、Q345、30CrMnSiA、30CrMnsini2A、300M，承力截面(A)主要由鉤喉半徑(R)、鉤中心線與鉤內(nèi)壁的角度(θ)、鉤喉下平面寬(d)、鉤中心線與鉤喉下平面間距(a)、鉤中心線與鉤喉邊緣間距(b)決定，其中a>b，如圖2所示。

圖 2 攔阻鉤鉤喉及夾具截面示意圖

加載夾具的最大承力截面的面積Amax可通過圖2中攔阻鉤的鉤頭參數(shù)求得。合理設(shè)計(jì)夾具的受力截面參數(shù)，使Amin

3.2 偏心偏航攔阻工況的支持夾具設(shè)計(jì)

飛機(jī)攔阻鉤裝置規(guī)范(HB 6648-92)要求攔阻鉤鉤頭可轉(zhuǎn)，忽略緩沖器對(duì)攔阻鉤的支撐作用，夾具載荷(F1、F2)與試驗(yàn)載荷(F)之間的關(guān)系如圖3所示。根據(jù)平面內(nèi)力平衡條件，推導(dǎo)出夾具的受載情況：

圖3 攔阻鉤承載示意圖

選定合適的材料，合理設(shè)計(jì)圖4中的夾具參數(shù)(Φ、R、h、h1)，用第一強(qiáng)度理論公式計(jì)算F1對(duì)夾具的拉應(yīng)力及彎應(yīng)力，使其小于許用應(yīng)力即可。

圖 4 夾具參數(shù)

4 垂向彎矩工況試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 垂向彎矩工況的加載夾具設(shè)計(jì)

同偏心偏航攔阻工況的加載夾具一致，根據(jù)鉤喉參數(shù)設(shè)計(jì)合適的加載夾具截面，計(jì)算夾具應(yīng)力小于許用應(yīng)力(σ許)即可。

4.2 垂向彎矩工況的支持夾具設(shè)計(jì)

垂向彎矩工況的支持方式是將攔阻鉤與機(jī)身連接部位和緩沖器連接的部位固支，在攔阻鉤中心線的鉤喉處施加垂向載荷，對(duì)攔阻鉤的抗彎能力進(jìn)行考核。此工況攔阻鉤的受力示意圖見圖5。

圖 5 攔阻鉤承載示意圖

合理設(shè)計(jì)夾具的參數(shù)(Φ、R、h)，用彎應(yīng)力和強(qiáng)度理論公式計(jì)算試驗(yàn)載荷F對(duì)夾具的拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力，使其滿足設(shè)計(jì)條件即可。

5 試驗(yàn)中的應(yīng)用

依托某型飛機(jī)部件地面試驗(yàn)研發(fā)需求，對(duì)其雙緩沖器雙桿式攔阻鉤傳力特性、承載能力進(jìn)行摸底，驗(yàn)證試驗(yàn)件強(qiáng)度計(jì)算方法的合理性。

整理資料，總結(jié)已知條件：鉤喉最大可加載截面面積Amax=1596mm2；最大偏航偏心載荷F偏=1138710N；最大垂向彎矩載荷F垂=42195N；偏航偏心角度α=15.7°；鉤桿與飛機(jī)對(duì)稱剖面角度β=15°；緩沖器與鉤桿角度θ=40°；鉤喉到緩沖器接頭在鉤桿平面內(nèi)間距L=2596mm。

試驗(yàn)件的鉤喉、與機(jī)身連接的接頭、與緩沖器連接的接頭限定了承力的夾具截面，故應(yīng)盡可能在避免安裝干涉的情況下增大夾具的受力截面。

試驗(yàn)中按相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)截面，各部位關(guān)鍵尺寸如下：與機(jī)身接頭連接的約束夾具Φ1=39.6mm，R1=50mm，h1=45mm；與緩沖器連接的約束夾具Φ2=25mm，R2=50mm，h2=40mm；最大偏心偏航攔阻工況的加載夾具截面面積A偏=1450mm2；最大垂向彎矩工況的加載夾具的截面面積A垂=230mm2。

經(jīng)過分析，與機(jī)身接頭連接的約束夾具在試驗(yàn)中主要承受拉應(yīng)力，計(jì)算其承受的最大拉應(yīng)力：

選用許用應(yīng)力值為792MPa的300鋼材料。

與雙緩沖器接頭連接的約束夾具在試驗(yàn)中主要承受拉應(yīng)力，計(jì)算最大應(yīng)力：

可選用許應(yīng)力值為160MPa的Q235鋼材。

最大偏心偏航攔阻工況的加載夾具在試驗(yàn)中主要承受拉應(yīng)力，計(jì)算得最大應(yīng)力：

選用許用應(yīng)力值為792MPa的300鋼材料。

最大垂向彎矩工況的加載夾具在試驗(yàn)中主要承受拉應(yīng)力，計(jì)算得最大應(yīng)力：

可選用許用應(yīng)力值為200MPa的Q345鋼材。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)攔阻鉤靜強(qiáng)度試驗(yàn)的兩種典型工況進(jìn)行了分析研究，根據(jù)最大試驗(yàn)載荷及試驗(yàn)件相關(guān)參數(shù)，通過合理設(shè)計(jì)加載、支持夾具，使夾具具有足夠強(qiáng)度，確保了試驗(yàn)的順利實(shí)施。在極限載荷試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)夾具的安全系數(shù)應(yīng)大于2.5，研究性試驗(yàn)通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可適當(dāng)降低安全系數(shù)要求。