飞机结构强度试验加载装置设计
2020-06-18张清勇
张清勇
(中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点试验室,陕西 西安 710065)
在飞机结构试验中,采用合理先进的试验设备是试验高质量完成的前提和保证。按照任务书要求,精心设计并通过主动加载方法施加给被考核结构,主要考核部位有机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼、发动机吊挂、起落架等。对于机翼等考核向上载荷较大的结构而言,采用龙门架加载系统实现向上加载[1-2]。龙门架加载系统具有承载能力大、安装方便的优势,且能够覆盖更多的加载点,对于飞机全机试验有着非常良好的积极作用。
1 设计思路
龙门架加载系统一般分左右对称布置,主要包括龙门架立柱和横梁,布置如图1所示。试验过程中,将龙门架加载系统作为向上加载点的承载基础,其中的横梁作为一级梁,再根据各试验情况加载点位置不同,设计二级梁搭接在一级梁上,龙门架立柱和横梁均必须具有足够的安全系数[3-5]。
图1 龙门架加载系统
在龙门架加载系统应用之前,必须对龙门架加载系统所有结构件进行强度校核,以确保所有装置必须满足承载需求,保证试验件的安全。
龙门架加载系统中,龙门架立柱、横梁采用钢板与型材组合焊接而成,其材料均选用Q235,材料的屈服强度σs=235 MPa,弹性模量E=210 GPa。
2 强度校核
根据试验要求,龙门架加载系统需要承载80 t载荷,结合试验件安装高度、试验件尺寸和试验加载设备尺寸等因素,龙门架立柱高度设计为12 m,横梁总长设计为11 m。龙门架加载系统尺寸如图2所示。
图2 龙门架加载系统尺寸
2.1 龙门架立柱校核
所设计龙门架立柱截面如图3所示。其中1为20号角钢,2和3均为568 mm×20 mm钢板。
图3 龙门架立柱截面图
(1)强度计算
龙门立柱截面面积为:
式(1)中:A1为1号件的截面积,A2为2号件的截面积,A3为3号件的截面积。
每个龙门架立柱最大极限载荷F=80 t,按4倍安全系数进行计算:
式(2)中:F为龙门架承载载荷,A为龙门架截面积,[σ]为材料许用应力,σs为材料屈服强度。
根据式(3)结果得知结构强度满足要求。
(2)稳定性计算
龙门架立柱截面对称,对于x轴和y轴的惯性矩相等,故按Ix计算。
图3中1为20号角钢,其对于重心的惯性矩为Ix0=2867.3 cm4,截面面积为A1=76.505 cm2,重心距角钢下边缘距离为56.9 mm,其重心距x轴距离为x1=268.1 mm。
角钢对于x轴的惯性矩为:
2和3可近似认为组成为方形框架,可对其整体计算惯性矩。
其惯性矩为:
式(5)中:a为2和3组成的方形框架外侧尺寸,b为2和3组成的方形框架内侧尺寸。
横截面总的惯性矩为:
按一端固定,一端自由计算,长度系数μ=2,梁高度L=12 m。
临界压力:
系统安全系数要求按nst=4计算,则根据龙门架立柱所能承受的最大压力校核结果为:
工作系数大于安全系数,合格。
2.2 横梁校核
图 4 横梁截面图
近似认为其重心在截面中心位置,求每一部分对x轴的惯性矩:
式(9)中:b1为1号件边长,A1为1号件截面积,lx1为1号件重心距x轴的偏移距离。
式(10)中:b2和h2分别为2号件边长,A2为2号件截面积,lx2为2号件重心距整个截面重心的偏移距离。
式(11)中:b3和h3分别为3号件边长。
式(12)中:b4和h4分别为4号件边长,A4为4号件截面积,lx4为4号件重心距x轴的偏移距离。
总截面惯性矩:
式(14)中:ymax为截面最远点距x轴的距离,
载荷在横梁最中间时,梁中间所受弯矩最大,其弯矩为:
式(17)中:[σ]为材料许用应力,σs为材料屈服强度。
由式(17)可知横梁结构强度满足要求。
3 结 论
依据试验要求设计了龙门架加载系统,并对设计结果进行了强度校核,满足试验要求。所设计的龙门架加载系统已经成功应用到飞机结构强度试验中,保证了试验的顺利进行,为今后同类试验装置的设计提供参考依据。