藍(lán)洲遠(yuǎn),劉克格,趙麗娜,金 甲

(北京飛機(jī)強(qiáng)度研究所,北京 100083)

1 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭是機(jī)翼上的重要傳力部件,用于安裝發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛(吊掛下方再連接發(fā)動(dòng)機(jī)艙),是將發(fā)動(dòng)機(jī)的重力和推力傳遞到機(jī)翼上的樞紐。某型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭分為前撐接頭、主懸掛接頭(包含內(nèi)側(cè)主懸掛接頭和外側(cè)主懸掛接頭)、后懸掛接頭、側(cè)拉桿接頭。主懸掛接頭、后懸掛接頭通過(guò)銷(xiāo)軸直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛,主要受到航向、垂向兩個(gè)方向的載荷,用應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量其載荷,需要進(jìn)行地面載荷標(biāo)定[1]。

對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷標(biāo)定試驗(yàn),傳統(tǒng)的做法是先將飛機(jī)固定,然后利用承重墻或者固定在地軌上的大型立柱來(lái)施加水平方向上的載荷,利用地軌或者配重來(lái)施加垂直方向的載荷。由于該型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大,發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛主懸掛接頭和后懸掛接頭在水平方向承受很大的載荷,相應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行地面標(biāo)定試驗(yàn)時(shí),水平方向上需要加載較大的標(biāo)定載荷。在沒(méi)有承重墻和承力地軌的場(chǎng)地上,完成主懸掛接頭和后懸掛接頭的地面載荷標(biāo)定試驗(yàn)具有相當(dāng)大的難度。

本文針對(duì)該型運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭結(jié)構(gòu)的布局特點(diǎn)、受載形式,研發(fā)了自平衡加載裝置并對(duì)裝置進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核,利用該裝置順利完成了發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛安裝接頭的載荷標(biāo)定試驗(yàn)。

2 吊掛接頭載荷測(cè)試

某運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭結(jié)構(gòu)布局如圖1所示,主懸掛接頭和后懸掛接頭位于機(jī)翼下翼面,前撐接頭位于前梁腹板上。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭結(jié)構(gòu)布局

載荷測(cè)試電橋布置如圖2所示,主懸掛接頭和后懸掛接頭在飛行中承受發(fā)動(dòng)機(jī)的垂向重力Fz1、Fz2和航向推力Fx1、Fx2。使用應(yīng)變電測(cè)法實(shí)測(cè)主懸掛接頭和后懸掛接頭的載荷,在A點(diǎn)布置x向的載荷測(cè)試電橋,用于實(shí)測(cè)后懸掛接頭的x向載荷,在B點(diǎn)布置z向的載荷測(cè)試電橋,用于實(shí)測(cè)后懸掛接頭的z向載荷。在C點(diǎn)布置水平方向的載荷測(cè)試電橋,用于實(shí)測(cè)主懸掛接頭的航向載荷,在D點(diǎn)布置豎直方向的載荷測(cè)試電橋,用于實(shí)測(cè)主懸掛接頭的垂向載荷。應(yīng)變測(cè)試電橋布置完成后,需要對(duì)主懸掛接頭和后懸掛接頭進(jìn)行載荷標(biāo)定試驗(yàn),以建立測(cè)試電橋輸出-載荷的方程,用于飛行實(shí)測(cè)。在載荷標(biāo)定試驗(yàn)中,需要對(duì)其施加z向和x向的載荷。

圖2 載荷測(cè)試電橋布置位置

3 自平衡裝置設(shè)計(jì)

分析該發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭的布局特點(diǎn)和施加載荷需求,設(shè)計(jì)了借用前撐接頭輔助安裝、分步進(jìn)行主懸掛接頭和后懸掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)的自平衡裝置。該試驗(yàn)裝置與前撐接頭、主懸掛接頭、后懸掛接頭及其所在的機(jī)翼盒段組成一個(gè)系統(tǒng),標(biāo)定載荷與約束載荷均為該系統(tǒng)內(nèi)力,故為自平衡裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了在條件有限的外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地中對(duì)主懸掛、后懸掛進(jìn)行航向大載荷加載標(biāo)定,提高了試驗(yàn)的安全性。該裝置既可以利用前撐接頭和后懸掛接頭進(jìn)行約束,對(duì)主懸掛接頭進(jìn)行加載標(biāo)定試驗(yàn)(其原理如圖3所示),又可以利用前撐接頭和主懸掛接頭進(jìn)行約束,對(duì)后懸掛接頭進(jìn)行加載標(biāo)定試驗(yàn)(其原理如圖4所示)。

圖3 主懸掛接頭加載標(biāo)定原理

自平衡試驗(yàn)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭的安裝連接如圖5所示。

自平衡試驗(yàn)裝置由F形結(jié)構(gòu)件和二力桿加載/約束組件構(gòu)成。二力桿加載/約束組件如圖6所示,控制組件的伸縮可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊掛接頭加載。二力桿加載/約束組件上安裝載荷傳感器,每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛接頭z、x方向的載荷均可控。

圖6 二力桿加載/約束組件

4 有限元分析與應(yīng)用

4.1 裝置有限元模型

自平衡裝置有限元模型建模時(shí),為了提高網(wǎng)格劃分及計(jì)算效率,省略了加強(qiáng)筋和零件倒角。二力桿加載/約束組件等效為一個(gè)兩頭帶接頭的圓桿,取二力桿加載/約束組件橫截面最小的一段的直徑等效為圓桿的直徑。裝置中由方管焊接的F形結(jié)構(gòu)件材料為Q345a,彈性模量為206GPa,泊松比為0.28,密度為7850kg/m3。二力桿加載/約束組件的等效件材料為45號(hào)鋼,彈性模量為209GPa,泊松比為0.27,密度為7890kg/m3。自平衡裝置有限元網(wǎng)格模型如圖7所示。

(a)后懸掛標(biāo)定時(shí)裝置有限元模型

4.2 邊界條件設(shè)置

(1)后懸掛接頭載荷標(biāo)定時(shí),將后懸掛接頭的加載/約束組件去除,對(duì)連接前撐接頭、內(nèi)(外)主懸掛接頭的加載/約束組件的銷(xiāo)孔進(jìn)行鉸鏈約束(即保留安裝孔的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)。

(2)主懸掛接頭標(biāo)定時(shí),將內(nèi)(外)主懸掛接頭的加載/約束組件去除,對(duì)連接前撐接頭、后懸掛接頭的加載/約束組件的銷(xiāo)孔進(jìn)行鉸鏈約束。

4.3 載荷施加

4.3.1 后懸掛接頭

選取后懸掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)中的最大載荷工況。

(1)對(duì)裝置添加-z方向的慣性載荷;

(2)在后懸掛接頭的x向加載/約束組件連接自平衡裝置的安裝孔上施加x向載荷27000N,在后懸掛接頭的z向加載/約束組件連接自平衡裝置的安裝孔上施加z向載荷-10000N。

4.3.2 主懸掛接頭

選取主懸掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)中的最大載荷工況。

(1)對(duì)裝置添加-z方向的慣性載荷;

(2)在內(nèi)側(cè)和外側(cè)主懸掛接頭的x向加載/約束組件連接自平衡裝置的兩個(gè)安裝孔上同時(shí)施加x向載荷18000N;在內(nèi)(外)主懸掛接頭的z向加載/約束組件連接自平衡裝置的兩個(gè)安裝孔上同時(shí)施加z向載荷-14000N。

4.4 有限元計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)后懸掛接頭、主懸掛接頭載荷標(biāo)定最大載荷工況時(shí)的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算,有限元計(jì)算結(jié)果如圖8所示。該自平衡試驗(yàn)裝置在后懸掛接頭標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生最大應(yīng)力,最大應(yīng)力為82.33MPa。結(jié)果表明,該試驗(yàn)裝置安全系數(shù)滿(mǎn)足要求。該自平衡試驗(yàn)裝置在主懸掛接頭標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生最大位移,最大位移為6.06mm。經(jīng)檢查,加載點(diǎn)處垂直于加載力線的位移均小于1mm,表明該裝置在試驗(yàn)中的變形不會(huì)影響加載的準(zhǔn)確性。

(a)后懸掛接頭標(biāo)定最大應(yīng)力

4.5 裝置應(yīng)用

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析,選擇合適的材料生產(chǎn)加工出了自平衡裝置,使用該裝置順利完成了某型號(hào)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛主懸掛接頭、后懸掛接頭外場(chǎng)載荷標(biāo)定試驗(yàn),圖9為使用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)。

圖9 吊掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,采用吊掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)自平衡裝置對(duì)吊掛主懸掛接頭、后懸掛接頭z向、x向載荷測(cè)試電橋進(jìn)行加載標(biāo)定,試驗(yàn)得到的載荷-應(yīng)變碼值結(jié)果線性、重復(fù)性均良好,滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

(a)內(nèi)側(cè)主懸掛z向載荷-應(yīng)變碼值關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛安裝接頭的布局,設(shè)計(jì)了主懸掛接頭、后懸掛接頭的載荷標(biāo)定試驗(yàn)自平衡裝置。對(duì)該自平衡裝置進(jìn)行有限元分析計(jì)算的結(jié)果表明,裝置強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。主懸掛接頭、后懸掛接頭載荷標(biāo)定試驗(yàn)的順利實(shí)施表明,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)外場(chǎng)試驗(yàn)中,利用飛機(jī)自身的布局特點(diǎn)設(shè)計(jì)自平衡裝置,可以保障試驗(yàn)安全、高效進(jìn)行,為類(lèi)似的飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)提供了借鑒。