航空发动机推力剪切销载荷测试新方法

苏 军，田常棵，安中彦，2，刘伟强，吴法勇，李 岩

(1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015；2.辽宁省航空发动机冲击动力学重点实验室，沈阳 110015)

剪切销是一种重要的承力连接结构，主要以剪切力的形式承载。推力剪切销是航空发动机结构的重要连接形式，在航空发动机中的作用极为重要，将发动机产生的推力传递给飞机，作为飞机飞行机动的动力[1]。各类规范[2-3]都要求，在各种恶劣工况下，也需要保证发动机与飞机之间的连接不失效。推力剪切销作为冗余安全结构设计，在服役过程中共同承担载荷，为超静定结构。为了解在工作中两个剪切销之间的载荷分配是否达到设计需要的配比，需要测试冗余结构剪切销各自独立承担的载荷。

对于剪切销的剪切载荷测试，现有测试方法分为两种：剪切销法和连接板法。张建宇等[4]、王春华等[5]、郝志勇等[6]设计了钉载传感器，通过改装剪切销，在其上粘贴应变计进行测量，测试结果可靠，在复合材料多钉连接结构中得到应用。万一品等[7-8]通过标定销轴上应变计的方式，开展了装载机工作装置销轴载荷测试方法与试验研究。然而，较小直径的剪切销因无法粘贴应变计而不能适用。另外，由于需要局部改变剪切销结构以便于粘贴应变计，剪切销可能因结构变化而改变了受力状态，影响测试结果的准确性，此方法适用于单个剪切销承载或剪切销安装在静定结构中。刘向东等[9]、李鹏等[10]、柳鸿飞等[11]在连接板上粘贴应变计，通过引入计算的方式进行测试，主要应用于薄板钉载荷测试，对大载荷剪切销载荷测试未见应用。郁大照等[12-13]、闫楚良等[14]采用多钉连接板上应变计测试结果验证了螺接搭接件力学特性的三维有限元分析结果。连接板法适用于单剪、双剪结构在单方向载荷下的剪切销载荷分配的测试，不适用于测试方向未知情况下的剪切载荷。另外，由于测试过程中需要引入计算，其测试结果的准确性影响因素较多。

本文通过分析发动机推力剪切销的承载结构及其受力特点，建立了基于系数矩阵和标定方法的双剪切销承载载荷测试方法，可以不改变连接件的基本结构，保持剪切销连接结构的受力特征。通过试验进行了验证，确定了提出的剪切销载荷测试方法及原理的可行性。初步给出了在发动机航向上进行剪切销承载载荷测试的误差，验证了这种剪切销载荷测试新方法的适用性。

1 剪切销承载载荷测试方法

1.1 双剪切销连接结构说明

为简化起见，采用两个剪切销的结构进行说明，方法同样适用于多个剪切销的结构。图1是推力剪切销在发动机典型安装系统上的位置和剪切销与孔连接结构示意图。从图1中可以看出，剪切销承受两个板之间传递的剪切载荷，两板各自的其他复杂结构在图中已经略去。图1b中4个连接螺栓的功能是将发动机固定到飞机吊挂上，并承担垂直方向的重力和机动载荷；而剪切销1和2则承担底板和连接板之间的面内剪切载荷，在俯视图平面内可分解为两个剪切销连线方向(推力方向)和连线垂直方向载荷。本文主要研究两个剪切销在连线方向的承载载荷测试方法并开展验证工作，限于篇幅，连线垂直方向载荷测试方法及其与连线方向载荷测试结果相互影响的解耦等研究将在以后的研究中进一步开展。

1.2 测试方案

为了测试零部件状态剪切销的承载载荷，设计了如图2所示的测试板结构，替代图1中的底板，即飞机吊挂的连接面。测试板主要分为3个部分：连接件模拟部位(中央部位)、6个短梁和测试板约束边(外围)。连接件模拟部位是吊挂实际连接结构，以保证吊挂原始结构特征，通过6个短梁与测试板约束边连接，每个短梁的长度方向穿过销孔，视图A-A到F-F分别对应的短梁编号为a～f。测试板中间两个孔为剪切销安装孔，两个剪切销的受力F1Y和F2Y都在Y方向，通过应变计测试的载荷标定方法进行测试。

应变计布置方案如图2中视图A-A～F-F所示，为了验证标定方式和结果是否符合要求，均采用单片应变计，粘贴方向均沿着短梁的长度方向。1号和2号剪切销孔上/下方短梁上布置应变计如图2中视图A-A和B-B中所示，左、右4个短梁采用视图C-D、D-D、E-E、F-F的应变计布置方式。将编号1～8、11～18的应变计输出值定义为ε1～ε8、ε11～ε18。

图1 推力剪切销连接结构示意图

图2 测试板结构及应变计布置位置和编号示意图

本文没有采用组桥方式测试应变，而采用测试所有的单片应变结果后进行组合的方式获得两个应变输出量，可根据测试结果研究如何组建最优化的应变计桥路。

采用在短梁的侧边布置应变计的原因：(1)侧边布置应变计不影响与测试板相连的贴合面的状态；(2)从受力看，其中间属于短梁中性面，此处对于短梁微翘曲来说只有剪应变、无弯曲应变的输出，减少测试的影响因素；(3)6个测试短梁主要在测试板面内(X-Y)平面承受拉压力和弯矩载荷，而弯矩载荷可以通过在两个侧面对称布置应变计消除或减弱;(4)C-C、D-D、E-E、F-F视图短梁布置应变计也是为X方向剪切销载荷测试预留测试空间和应变测试位置。

1.3 应变计输出组合方式

将应变计测试结果进行组合运算，以表征1号和2号剪切销承受载荷产生的应变输出，为此首先定义两个应变输出量ε1Y和ε2Y，分别代表1号和2号剪切销在Y方向上产生的典型应变输出。

从测试板的结构特点分析，当只有1号销孔加载，产生的剪切载荷F1Y为正时，传递到测试板上，应该由短梁a和短梁b承受主要载荷，短梁a受压力，短梁b受拉力，而短梁c～f由于受弯曲载荷，同等变形下，ε11～ε18的应变输出较小。由于1号销孔距离短梁a较近，距离短梁b较远，而同等变形在短梁a产生的应变要高于短梁b。同理，当只有2号销孔加载时，在短梁b上产生的应变高于短梁a。因此进行组合应变输出ε1Y和ε2Y时将考虑几个短梁的应变输出情况。

根据测试板结构的应变输出情况，确定了以下两个方式的应变输出组合。

考虑到临近应变依赖性和简化的要求，以应变输出尽量靠近图2所示的短梁a、b的方式，设计了应变输出组合方式A，如式(1)、(2)所示

ε1Y=(ε2+ε4)

(1)

ε2Y=(ε6+ε8)

(2)

综合获得的应变测量结果，考虑到组合后的线性结果以及图2中临近短梁a的压力输出，短梁c、d的弯矩输出，组成ε1Y，同样由临近短梁b的压力输出，短梁e、f的弯矩输出，组成ε2Y。设计了应变输出组合方式B，如式(3)、(4)所示

ε1Y=(ε2-ε6)-(ε11-ε12)+(ε15-ε16)

(3)

ε2Y=(ε4-ε8)-(ε13-ε14)+(ε17-ε18)

(4)

1.4 系数矩阵标定试验装置

从测试板结构的分析来看，当仅有1号剪切销承载时，不仅是ε1Y产生输出，ε2Y也有应变输出；仅有2号剪切销承载时，应变输出情况相同。ε1Y、ε2Y不唯一对应F1Y和F2Y作用产生的应变输出，存在相互影响，这是由两个剪切销同时承载的超静定结构决定的。因此需要建立能够考虑相互影响的系数矩阵[14]来解决这个问题，建立如下的系数矩阵

F=A·E

(5)

(6)

(7)

得到系数矩阵A，就可以根据应变输出，利用式(2)得到每个剪切销承担的剪切载荷。对于矩阵的求解，采用如下的标定方法和步骤进行说明。

为了确定系数矩阵，需要在测试前进行标定，得到确定系数矩阵所需要的参数。采用图3的两种加载方式进行分级加载，获得载荷-应变输出曲线。每种加载方式采用加载杆1或2进行加载，均只加载一个载荷，另一个载荷为0。则可以得到两组应变输出组成的矩阵F0和对应所施加的载荷矩阵F0。具体为

(8)

式(8)中两个矩阵组合后得到

F0=A·E0

(9)

经过运算可得

(10)

式(10)得到系数矩阵后，利用式(6)换算，即可测得两个剪切销的承载载荷。

图3 系数矩阵参数标定加载方式示意图

若需要同时测试两个剪切销承载的横向载荷(X方向)，可将系数矩阵扩展到四维，并开展类似的标定工作，只需确定系数矩阵即可。对于多个剪切销，可继续扩展系数矩阵的维数。

(11)

1.5 测试结果准确性验证方法和装置

测试结果准确性验证采用与1.4节相同的原理进行验证。

图4 Y方向测试结果准确性验证方法示意图

2 测试方案原理的有限元仿真分析

本节通过对测试板进行基于有限元分析方法的测试仿真，模拟测试的标定过程和测试方案准确性的验证过程，以确定采用这种测试方法是否可以有效地进行剪切销各自承载载荷的测试。对图2的测试板进行仿真加载，加载方式与图3相同。通过有限元仿真计算得到在剪切销标定载荷加载时，测试板短梁的应变结果，应变位置如图2所示，有限元计算模型和结果见图5所示。通过应变结果得到组合方式A对应的ε1Y和ε2Y。单独施加两个剪切销的标定载荷，获得式(10)中的应变输出向量，即

(12)

利用公式(10)即可获得系数矩阵

(13)

3 测试结果准确性的试验验证

3.1 双剪切销承载载荷测试标定及验证试验情况

剪切销连线方向载荷标定试验如图6所示。标定用加载杆与测试板之间采用销连接。采用螺栓将测试板固定在测试平台上，标定用加载杆连接传感器和作动器，约束固定到立柱上。采用液压伺服加载控制系统，以环控制方式施加载荷。标定试验按照图3的方式分别独立施加F1Y或F2Y，验证载荷则采用图4的方式同时施加F1Y和F2Y两个载荷，应变计及数采系统采集加载后的应变。

图5 测试板有限元计算模型和结果示意图

表1 验证载荷及应变输出结果比较 kN

表2 应变输出 10-6

表3 测试载荷 kN

从图1可以看出，两个剪切销在Y方向的承载载荷方向均是同向的，因此仅讨论两个剪切销同载荷方向(+Y方向)的测试验证结果。

3.2 标定载荷加载方式

为了获取标定数据，采用分级加载方式进行加载。首先单独对1号销孔分级施加载荷F1Y(0～200 kN)，记录对应的应变输出，再单独对2号销孔分级施加载荷F2Y(0～200 kN)，记录对应的应变输出。

3.3 验证载荷加载方式

为了验证两个剪切销载荷分配准确性，对两个剪切销同时进行验证载荷加载，采用图4所示的试验加载方式进行验证。将获得的应变输出代入式(6)，计算出两个剪切销的测试载荷，将其与施加的验证载荷进行比较，获得准确的测试结果。采用两种方式施加验证载荷：均匀载荷方式，F1Y/F2Y=1∶1；非均匀载荷方式，F1Y/F2Y=2∶1。

3.4 F1Y和F2Y验证载荷测试结果

3.4.1 标定载荷-应变输出结果

应变输出组合方式A的标定载荷F1Y和F2Y各自对应的应变输出曲线如图7所示。曲线进行线性拟合后的拟合优度R2均大于0.999，线性较好[15]，应变输出组合方式B有相似的结果。

图6 剪切销连线方向载荷标定试验照片

图7 标定载荷对应的应变输出曲线

对图7曲线进行线性拟合，可以得到计算系数矩阵式(10)所需要的标定载荷矩阵和标定应变矩阵

(14)

那么，由式(10)可得组合方式A的系数矩阵为

(15)

采用同样的方法获得的组合方式B对应的系数矩阵为

(16)

3.4.2 F1Y和F2Y的验证载荷测试结果

获得的系数矩阵载荷测试方法，需要采用现有的试验加载方式进行验证，同时施加F1Y和F2Y两个载荷(两个载荷之比不同)，应变输出组合方式A在验证载荷F1Y/F2Y=1∶1和2∶1两个比例组合载荷下各自对应的应变输出曲线见图8所示，拟合优度R2均大于0.999，线性较好。将应变输出结果输入到式(6)中，得到测试载荷结果，并与施加的当次验证载荷进行对比，计算出相对和绝对误差。

3.5 测试方法准确性试验验证结果分析

图9和图10给出了组合方式A和B对应的测试结果误差随验证载荷增大的变化曲线，给出了F1Y、F2Y及F1Y+F2Y的相对和绝对误差。

从图9a可以看出，随验证载荷的增大，绝对误差变化的规律性不强，F1Y和F2Y的变化规律正好相反，相加后误差相互抵消，使F1Y+F2Y误差较小，与F1Y、F2Y的较大误差形成鲜明对比。由图9b可见，相对误差也较大，虽然其随验证载荷增大出现逐步减小的趋势，但不显著。

图8 验证载荷(F1Y/F2Y=1∶1、2∶1)对应的应变输出曲线

从图10a中可见绝对误差随验证载荷的增大先增大再逐渐减小，F1Y和F2Y的误差变化规律也正好相反，相加后误差相互抵消，使得F1Y+F2Y误差较小。在验证载荷较小的范围内绝对误差较大，验证载荷小于50 kN时，误差值基本大于5 kN；验证载荷大于50 kN时，绝对误差基本小于5 kN。验证载荷比例不同的条件下，随载荷增大的变化规律均相同，验证载荷比例为2∶1时的绝对误差要比1∶1条件下稍大，但不显著。

图9 组合方式A验证载荷测试结果误差-载荷变化曲线

图10 组合方式B验证载荷测试结果误差-载荷变化曲线

从图10b可以看出，随着载荷增大，验证载荷比例为1∶1条件下的F1Y和F2Y载荷测试结果相对误差逐渐减小，当载荷F1Y+F2Y小于100 kN时，F1Y和F2Y的测试误差较大；载荷大于100 kN时，F1Y和F2Y误差小于±7%。需要注意的是，随着载荷的增加，F1Y+F2Y的各级载荷(15～165 kN)测试误差均较小，小于±2%，这点与F1Y和F2Y各自的测试误差明显不同。这说明在两个剪切销的载荷分配测试上，F1Y和F2Y各自载荷测试误差还有较大提升空间，尤其对于小载荷情况。由于基数不同，绝对误差与相对误差的变化规律明显不同，呈现先增大后减小的变化趋势。

从对比看出，虽然组合方式B在小载荷阶段存在较大误差，但在较大载荷阶段其误差明显减小，而组合方式A却存在误差逐步增大的非收敛情况。在验证载荷大于50 kN后，误差控制在±7%以内。比较显著的是F1Y+F2Y在两种组合方式下均表现出较为准确的测试结果，尤其对于组合方式B，在1∶1比例下，F1Y+F2Y的最大误差为0.5%，2∶1比例下最大为0.8%，表明总体载荷的测试结果与应变输出之间的线性关系是一致的。

4 分析与讨论

4.1 测试结果误差分析

虽然组合方式B在小载荷阶段存在较大的误差，但与组合方式A不同的是，在较大载荷阶段其误差明显减小。在验证载荷大于50 kN后，误差控制在±7%以内。分析认为，大载荷下除了短梁a、b主要承载外，短梁c～f的承载载荷增大，而组合方式A却未将短梁c～f产生的应变输出加到应变组合公式中。从结果来看，组合方式B考虑了短梁c～f的应变输出，显然要优于组合方式A，推荐在测试中使用。

两个剪切销的合力指的是同方向(+Y方向)条件下的合力。验证F1Y+F2Y在两种组合方式下均表现出较为准确的测试结果，尤其对于组合方式B，在验证载荷1∶1和2∶1比例下，F1Y+F2Y在验证载荷范围内(40～200 kN)的最大误差分别为0.5%和0.8%。而剪切销各自载荷F1Y和F2Y测试误差明显更大，这表明在两个剪切销的载荷分配上还存在一定问题需要进一步验证并解决，以改善载荷分配误差。

4.2 剪切销超静定结构的测试方法验证

对于属于超静定结构的双剪切销载荷分配测试，存在剪切销载荷在短梁上传递路径的重叠，即两个剪切销在单独载荷作用下均会在短梁a、b上产生应变输出。两个剪切销载荷对应的应变输出之间存在相关性，需要通过合理的应变输出组合方式尽量找到与各自剪切销对应的主应变输出项。测试结果表明，采用本文中的这种方法能够获得超静定结构的剪切销各自承载载荷，有效地验证了测试方案的准确性。目前在大载荷(50～150 kN)范围内，Y方向两个剪切销的载荷分配测试结果误差达到±7%左右，而小载荷误差则更大。

4.3 测试方法的进一步验证

从测试结果看，还有一些测试的影响因素需要考虑，如剪切销端面固定螺栓拧紧力矩、不同约束方式、数据处理方式、应变-载荷曲线的线性度等，它们对测试结果的影响需要进一步分析和完善。

5 结论

本文验证了剪切销载荷测试方法和系数矩阵测试原理的可行性和正确性，该方法能够有效地测试发动机推力剪切销各自承载载荷，方法合理可行。

通过对应变组合方式的对比和分析，确定了合适的应变输出组合方式，对于获得准确的测试结果提供了有效的应变计布置和组桥参考。

对于Y方向两个剪切销承载载荷测试，在较大载荷阶段其测试偏差明显减小，在验证载荷大于50 kN后，误差≤±10%，各剪切销载荷合力最大载荷误差为0.8%。

对于同时存在Y方向和X方向载荷的情况，可能存在相互影响测试精度的可能，将来需要进一步开展两个方向相互影响解耦的验证研究工作，这也是将来需要进一步扩展研究的内容。