飞机结构静力试验载荷实施谱编制技术

郭 琼，夏 峰

（中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，陕西 西安 710065）

全尺寸飞机结构静力试验载荷一般要经过载荷简化处理，变为试验可施加载荷，即试验加载点载荷，再通过计算机程序转化为静力试验载荷实施谱（以下简称“实施谱”）。试验加载点载荷是机体坐标下的载荷，而实施谱是每个加载点（如作动筒、充气台等）载荷-时间历程。编制实施谱是静力试验设计的最后一项，也是至关重要的工作，是试验现场实施的基础之一。

静力试验是一个非标准化工程过程，每个型号甚至同一型号的不同工况，都有不同的加载形式和加载要求。针对这种情况，在以往型号试验中，需要编制相应的实施谱出谱程序，增加了试验准备工作量和检查环节，降低了试验效率，也增大了出错几率。

目前，国内外对试验载荷谱的主要研究集中在如何得到飞机结构的飞行载荷[1-4]，即任务书载荷的确定；对于如何将任务书载荷转化为试验实施谱的相关研究很少。近年来，虽然在载荷简化处理、实施谱出谱等方面有了一些经验和积累，但大多也是与疲劳试验相关[5-6]，对静力试验载荷简化处理、实施谱出谱的通用化、规范化等方面研究仍有欠缺，试验效率较低。

本文主要对静力试验实施谱出谱的通用化、规范化等内容进行研究。在以往型号经验的基础上，经过总结、分析，从试验载荷形式、实施谱载荷、实施谱构成等方面入手，提出了静力试验实施谱标准化出谱方案，并编制了通用化出谱程序，有效地解决了每个型号都要重新编写载荷谱程序的问题，大大提高了静力试验设计的效率，已在某型飞机试验中得到应用。

1 试验载荷及实施谱

1.1 试验载荷及其施加形式

静力试验中载荷施加方法有多种，采用何种加载方法，取决于具体结构形式与部位，以及试验载荷的种类、性质、方向、大小等。目前经常用到的加载方法有：胶布带-杠杆系统、拉压垫-杠杆系统、卡板系统、气体充压系统、液体充压系统等；主要加载设备为液压作动筒、充气台及配套设备等，如图1所示。在常规静力试验中，大多数试验加载点采用的加载设备为液压作动筒、充气台，通常称为液压作动筒加载点、充压点。

图1   试验常规加载形式及配套设备

液压作动筒加载点（以下简称“加载点”）是将液压作动筒根据试验载荷特点，与不同加载方法结合组成的加载系统。加载点有多种加载形式：按加载方向分为航向、侧向、垂向加载点，再细分为与机体坐标系平行、倾斜加载点；按载荷内容分为单独扣重点（仅加扣重载荷）、单独加载点（仅加试验载荷）、复合加载点（含扣重和试验载荷）；按连接方式分为硬式连接、软式连接加载点；按作动筒载荷方向分为单向拉、单向压、双向拉压加载点。充压点采用了以充气台为核心的气体充压系统，按照试验要求，与加载点协调加载，在试验不同阶段施加相应的气压载荷。

本文主要研究作动筒加载点、充压点这两类加载点，其余试验加载点（如采用气囊系统、液体充压系统等）可以参照这两类加载点。

1.2 实施谱载荷及构成

实施谱中各加载点载荷通常包括试验载荷、预紧力载荷、扣重载荷3个部分，其意义如下：

（1）试验载荷：机体坐标系下各加载点载荷，与飞机坐标系相关，为矢量。

（2）预紧力载荷：为了消除加载间隙、防止作动筒意外伸出，在试验加载初始阶段，各加载点施加的一个预张紧载荷，与加载设备相关。

（3）扣重载荷：静力试验任务书给出的载荷是结构无重（0 g）状态。实际上，试验前由于加载设备、测量设备、假件和试验件本身具有相当大的重量，试验件已经处于一定受力状态。为了使结构受力真实，在试验时应扣除上述设备和结构重量，使飞机处于“0 g”状态[7]。需要扣除的重量即为扣重载荷，加载点的扣重载荷与试验扣重方案相关，为全机坐标系下的矢量值。

在静力试验中，通常采用MTS、MOOG加载控制系统，实施谱通常包含Profile、LoadCondition两个部分：

（1）编制LoadCondition文件，将机体坐标系下加载点载荷转化为加载装置（如作动筒、充气台）载荷。按照加载级别，通常按1%/级确定，规定加载点载荷；

（2）编制Profile文件，按照试验大纲加载程序要求，调用LoadCondition文件，规定加载、测量时间及谱型。

2 试验实施谱标准化出谱方案

实施谱出谱工作主要是编制LoadCondition文件。由于每项静力试验都有不同的特点和要求，加载点、充压点等有多种加载形式、加载要求和加载步骤，要实现实施谱标准化出谱面临着以下问题：

（1）坐标系一致问题，需要统一不同型号的不同总体坐标系，同一型号的总体坐标系与加载设备坐标。

（2）扣重载荷与预紧力载荷施加问题。在试验加载初始阶段，试验载荷为0，加载点初始载荷为扣重载荷或者预紧力载荷。随着加载级数增大，应尽快消除预紧力的影响，使加载点载荷仅为试验载荷与扣重载荷的合力。由于扣重载荷、预紧力载荷大小、方向不尽相同，需要协调扣重载荷、预紧力载荷之间关系，解决其与试验载荷叠加的问题。

在以往型号试验基础上，对已有的试验加载形式和实施谱出谱经验进行了归纳整理，总结其相互关系和内在规律，并对以后可能出现的加载形式进行研究，提出了可以涵盖绝大多数静力试验的出谱方案，初步实现了实施谱出谱的标准化。具体方案如下：

（1）采用“垂向、航向、侧向”坐标轴形式重新定义全机坐标系，解决不同型号不同总体坐标系的统一问题。

（2）采用“矢量转标量”方式，通过引入总体坐标系方向系数、加载设备方向系数、扣重载荷系数等解决机体坐标系与加载设备坐标系的统一问题。

（3）采用“载荷包限”方式，解决试验载荷、扣重载荷、预紧力载荷叠加等问题。即：

（4）引入“负扣重”概念，通过调整扣重载荷合力压心，解决扣重重心与扣重载荷合力压心不一致问题，简化扣重方案，减少扣重点数量。

下限函数 确定初始载荷值，在满足加载点加载能力的基础上，初始载荷值选取遵循以下原则（以作动筒加载方向拉为正、压为负为基准）：

（1）若预紧力与扣重为同方向，取绝对值较大的作为扣重波段的载荷值；

（2）若预紧力与扣重反向，取扣重值为扣重波段的载荷值；

（3）满足扣重波段扣重值的基础上，保障作动筒加载不出现跳跃；

（4）侧向和航向加载点不参与扣重，扣重波段载荷值以实际的可施加的预紧力为准。

上限函数 取值为试验载荷与扣重载荷的矢量和。

静力试验中的充压点根据实际充压要求，分为4种情况，分别为：

（1）第一次直接充到预紧力定义的百分数，第二次直接充到扣重定义的百分数，第三次直接充到要加载的百分数；

（2）第一次直接充到预紧力定义的百分数，第二次同步充到扣重定义的百分数，第三次直接充到要加载的百分数；

（3）同步充到要加载的百分数；

（4）第一次同步充到预紧力定义的百分数，第二次直接充到扣重定义的百分数，第三次保持。

以上述分析与准则为依据，总结归纳试验中不同的加载点类型，统计各类加载点载荷谱输入文件的情况并一一列举，总计112类，具体见表1。其中，作动筒载荷方向与加载方向作为不同加载点形式的标识输入。作动筒载荷方向：单向拉为1，双向拉为11，单向压为-1，双向压为-11；加载方向：位控点为0，垂向为1，侧向为2，航向为3，充压为4、5、6、7，监控为8。

表1   加载点载荷谱输入情况分类

3 试验实施谱标准化出谱程序设计

将表1中15种类别112类情况整理总结，梳理流程并通过VC编程实现飞机结构静力试验的载荷谱输出，形成标准的试验实施谱出谱程序。

3.1 输入文件说明

以表2为例，载荷谱的输入文件包含以下信息：加载点序号、位置、试验载荷P，作动筒载荷方向（zdtfx），加载方向（jzfx），扣重K，扣重标识k，预紧力Y，加载百分数n，载荷级别m，加载点总数D。加载百分数n表示载荷谱要加载到的百分数，载荷级别m为载荷谱输入文件中载荷P的载荷级别，一般为67%或者100%。程序中用d表示目前正在生成的载荷谱的加载点，i表示当前加载百分数，Pi表示第i级载荷值，Z表示扣重波段的值。对于垂向加载点，载荷P与扣重K方向为向上为正，向下为负；预紧力方向为作动筒加载方向，即拉为正、压为负，扣重载荷方向与作动筒加载方向相同时扣重标识k为1，否则为-1，其余情况为0。

表2   静力试验载荷谱输入文件说明

3.2 流程图设计

图2所示为飞机结构静力试验载荷谱出谱流程图，其中垂向加载、航向与侧向加载及充压点的载荷谱出谱主程序流程图如图3～5所示。图3输入载荷P转化时通过识别作动筒载荷方向符号将载荷方向与作动筒加载方向统一。图中输出错误信息表示当载荷谱输入文件中预紧力出现作动筒无法施加的载荷时，屏幕输出错误警告，并直接向下一步执行；以单向向上顶点为例，作动筒只能施加压向载荷，预紧力不可为正，此时错误信息内容为：“X#点，正常扣重，单向向上顶点，预紧力不能为拉，忽略”。

图2   载荷谱出谱程序总流程图

图3   垂向加载点载荷谱出谱流程图

图4   航向与侧向加载点载荷谱出谱流程图

相比目前静力试验中正在使用的载荷谱出谱程序，此程序做出了以下几点改进：

（1）预紧力按不同的加载点给出，而不是统一给出，满足了试验中不同加载点需要不同预紧力的要求；

（2）载荷谱输入文件中载荷与扣重以矢量给出，方便确认试验中施加载荷与扣重是否平衡合理；

（3）首次引入“负扣重”概念，包括了需要通过撬杠反配重的加载形式；

图5   充压点载荷谱出谱流程图

（4）程序具有冗错功能：当载荷谱输入文件中出现作动筒无法施加的载荷时，程序会自动提示错误并在电脑屏幕显示错误信息，接着忽略此输入向下一步运行。

3.3 试验应用

以表2作为某静力试验载荷谱的输入文件，通过运行程序可以得到试验实施所需要的载荷谱，见表3。表中Load Condition 5表示载荷级别为5%的载荷，载荷谱输出的最后一行为初始载荷值，见表3中的Load Condition 151一行。将表1中112种不同的加载点通过上述通用程序一一验证，结果证明了此程序的正确性与通用性。

表3   试验实施载荷谱

4 总    结

本文基于多年的型号试验经验以及目前所使用的载荷谱出谱程序，介绍了飞机结构静力试验载荷实施谱的构成，通过总结分类列举了不同加载形式和加载点类型，提出了试验实施谱标准化出谱方案，完成了通用化出谱程序设计。已成功应用于多个型号试验中，极大地提高了静力试验设计效率，具有重要参考意义。