民用飞机铁鸟机翼外段研究

陈骐 王兴波 金学良 吴强 曾宪忠

摘 要：铁鸟是民用飞机研制过程中关键试验设施之一，主要用于民用飞机单系统及复杂交联系统的研发和适航验证，是集成试验的重要组成部分。该文介绍了从满足铁鸟机翼外段的基本设计要求出发，综合考虑设计基准、尺寸设计要求，材料选择、安装设计要求等因素，在设计与验证阶段，进行了自振频率计算、静强度计算等优化设计。完成铁鸟加工制造并开展了副翼舵面的频响试验，满足设计要求，为后续试验的开展和型号取证工作奠定良好基础。

关键词：铁鸟 适航验证 机翼外段 频响试验

中图分类号：V216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0050-02

铁鸟是用于飞控系统重要验证平台之一，铁鸟综合试验也是系统集成试验的重要组成部分。由于试验条件与真实状态接近，铁鸟上各活动面的运动行程、速率可达到与飞机相同，从而，在地面模拟试验台上进行的系统试验结果能反映飞机系统的运动性能。通过铁鸟考核飞机在空载、加载、故障等不同状态下，各系统（飞控、液压、供配电等）的功能、性能是否符合设计指标和适航要求，为民用飞机的试飞和投入航线运营提供技术支撑。铁鸟的设计是实现这些目标的前提。

1 铁鸟机翼外段的基本设计要求

1.1 基准选取

设计基准为飞机机体坐标系，各部分设计以此为基准。弦线（弦平面和梁平面交线）和激光点作为安装基准，相关要求需要在设计时考虑。机翼外段需要保证结构试验件安装面，前后梁表面都采用了焊后加工面的方式保证光洁度和平面度。为了实现按飞机坐标系统准确安装铁鸟机翼及垂尾，可采取一些工艺手段，在铁鸟机翼前、后梁平面及垂尾梁平面加工4～6个激光孔，分别在梁平面的弦线上及弦线外加工激光孔，以便保证铁鸟机翼前、后梁安装和调试。

1.2 尺寸设计要求

台架需要尽可能真实地模拟飞机状态，系统件、结构件（支架和舵面等）、液压管路、电缆等都采用了和飞机一致的真件，考虑到安装与维护要求，铁鸟机翼前后梁按飞机实际的机翼前后梁位置布置，关键尺寸按照与飞机1：1的比例设计。

1.3 台架材料的选择

铁鸟结构材料除要满足使用上的机械性能，安装制造的焊接性能、机械切削加工特性外，还要考虑材料的经济性，尽量采用货架产品（槽钢、角钢、方管、板材）。考虑到机翼外段实际需求（强度、结构形式），采用Q235低碳钢作为主要材料（可用于替代飞机大部分铝合金板材、型材的受力构件），槽鋼作为机翼外段前后梁、选用板材作为前后梁连接件，方管作为立柱主体。

1.4 安装设计要求

铁鸟机翼外段设计需要考虑副翼的加载，除强度之外，由于加载作动器的安装可能带来与台架干涉问题，依据原理图以及作动器、加载接头的尺寸结合铁鸟机翼外段台架对加载机构做运动分析。

铁鸟机翼外段设计还需要考虑结构试验件系统试验件的安装，试验件大部分都直接安装于前后梁上，以副翼为例，其含有5个悬挂支架与2个作动器支架，由于铁鸟后梁采用的是槽钢，表面精度不能保证，采用叠加一层安装板，利用焊后加工的方式，保证平面度与粗糙度，真正做到与飞机设计一致。机翼外段设计还综合考虑了管路、电缆、运动机构的安装、测试设备的使用，保证实用性。

1.5 台架与地基预埋板的连接

台架通过其每个立柱连接的预埋钢板上焊接8个螺柱作整个立柱上下调节——无级调节，保证立柱上平面的同一水平面精度很高，该方案实施时需要立柱下法兰需要二次灌浆。

2 设计与验证

按照飞机设计要求，安装全尺寸的试验件之后台架需要保证足够的强度、刚度（包括台架机翼外段的固有频率），以保证安全（人身、设备、仪器等）。

铁鸟机翼外段的设计需要考虑加载方式、加载点以及连接件/传力件的安装，同时加载载荷也是铁鸟机翼外段强度设计的依据；舵面和作动器的支撑刚度需模拟飞机真实支撑刚度，可采用飞机真实舵面悬挂支臂和作动器支架来近似模拟支撑刚度。在详细设计阶段，进行了如下4种方案的详细设计，见图1。

强度计算结果表明，方案3和4（6根立柱、前后立柱加横档，加斜撑）的方式较好，考虑到美观与实用性，选用方案4。对方案4做了一定的优化（斜撑角度、横档大小法兰、加载支撑），机翼外段自振频率有了明显的提高，各阶自振频率又远离副翼旋转频率f1，满足设计要求。

对机翼外段进行静强度计算分析。依据设计行程，副翼上偏25°为台架受力最严重情况，取安全系数为2，最大VON MISES应力为233MPa，位于后梁腹板开口处。铁鸟左机翼段外段选用材料为Q235，屈服极限为235MPa，强度极限为380MPa。因此机翼外段详细设计方案结构满足静强度要求。

铁鸟台架本体制造与安装之后，再配套舵面、作动器、各系统试验件、液压源等，开展副翼舵面的频率响应试验，来验证刚度设计是否符合要求，试验原理图如图2所示。

由动态信号分析仪35670A发出线性扫频信号，信号的幅值为0.5°（舵面偏度，±0.5°范围内可调），信号的频率范围为0.1～40Hz （可提高频率范围下限至1Hz），线性扫频，扫频步长为0.1Hz，每个频率点重复三个周期以上。信号经作动系统控制柜发送指令操纵舵面运动，由数采测试传感器为反馈信号，得到系统频率特性。

依据某型号飞机主飞控系统作动器颤振抑制要求，在有且仅有一个作动器正常工作情况下，副翼旋转频率要求不小于f1。副翼扫频过程中，经过数据分析在信号频率达到26.6Hz及35.5Hz左右时，台架有明显的振动，因此实际机翼外段的一阶频率为26.6Hz，二阶频率为36.5Hz。经分析， 26.6HZ3 结语

铁鸟的研制、设计工作是和飞机的本体研制、设计工作密不可分的，并受其牵制和制约。铁鸟机翼外段的研制、设计是一个循序渐进和逐步深化、细化的过程。在安装各种飞行控制面、飞控系统、液压系统和供配电系统等以及自身台架安装时，需要统筹规划，该研究对指导台架设计工作具有重要的工程实践意义。

参考文献

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