大型飞机结构试验应变片测量与管理方法

雷道红，郭晓冬

(中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力疲劳实验室，陕西 西安 710065)

1 引 言

全机静力试验是在试验室中，通过对真实飞机结构施加外载的方式，模拟飞机在使用中遇到的受载情况(如飞行载荷、地面载荷/水载荷等)。通过测量飞机结构的响应(如应力、变形等)，验证强度和刚度计算方法的合理性，检验制造工艺，确定结构的可增潜力(提高承载能力或减轻结构重量)，减轻和预防结构可能发生的维修问题，为结构改型、改进提供试验数据。

通常，全机静力试验主要考核主承力结构及部件之间的连接强度，如机身、机翼、起落架和发动机与机体的连接等[1]。全机疲劳试验是在实验室中对飞机结构按照“飞-续-飞”循环施加飞机在飞行使用过程中的载荷历程，验证飞机结构的使用寿命，暴露结构的疲劳薄弱部位，验证疲劳分析方法，确定裂纹扩展特性，为制定检查维修大纲提供试验依据[2, 3]。

全机试验中，结构应变是获取结构响应的关键测量参量。随着对飞机性能测试研究的不断深入，飞机结构强度试验的测量规模迅速扩展。战斗机测量规模为测量点约2.5万，单次最大约0.6万[4, 5]；中型机的测量规模为测量点约3.5万，单次最大约0.8万；大型机的测量规模为测量点约5万，单次最大约1.5万[6, 7]。

国内的大型客机试验的测量规模甚至更大，这对测量效率和应变片管理提出了较大的挑战。为此，本文以某大型民机全机静力试验为应用背景，研究应变片分区、分组、接线方法，提升应变测量效率和试验效率，在某大型民机全机静力试验中对本方法进行验证和应用，并推广到其他大型全机试验中去。

2 方案设计

大型客机试验机主要由机身和翼面结构等组成。机身包括机头、前机身、中机身、中后机身和后机身、舱门等部位；翼面结构包括中央翼、外翼翼盒、垂直安定面、方向舵、襟副翼、缝翼等部件。应变数据由应变片连接至数据采集设备测量得出，其连接路径为：应变片-引线-电缆-数据采集设备。通过对应变片分区、分组，将同一区域、同一组的应变片与扁平线对接，建立应变片号-扁平线号的对应关系。应变片按照飞机部位分区、按照分区分组、按照组内接线的原则接线，如图1所示。

图1 应变片测量及管理方法总体思路

2.1 应变片分区

为了对应变测量的各个环节实现树形管理，实现对坏片、重片、错片的快速查找和定位，及时排故，要确保应变测量接线工作简明、高效，对应变片进行有效分区。应变测量区是由飞机一些相邻零部件组成的整体，分区就是将全机应变测量按部位分为不同的区域。每个区的扁平线铺设在线盒内，一端放置在飞机同一区域，与飞机上的应变片引线对接，另一端连接电缆，通过插座与采集柜连接。

全机试验应变测量按部位进行分区，共分为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O、P、Q、R等18个区。其中，机翼一侧分为两个区，以某肋肋线为分界线(视具体情况而定)。舱门分区与其所安装部位的区号相同，应变测量分区示意图见图2。全机试验应变片按用途分为研究片和验证片，因此，在各应变测量区内又分两小区，便于区分两种应变片。

图2 应变测量分区示意图

2.2 应变片分组

应变片分组是通过优化设计，为高效利用采集通道提供前期规划，在保证完成测量任务的前提下，使采集通道使用数量最少。对同组测量电缆集束、标识、整齐摆放，实现对电缆的快速查找，便于不同试验情况测量电缆的插拔，进一步减少电缆插拔和采集柜移动的次数，有利于提高应变片测量效率和高效管理。

应变片按分区进行分组，同时区分验证片与研究片，按照分区情况对应变片进行分组管理，如表1所示。

表1 应变测量分区情况

2.3 应变片-扁平线接线

由于应变片采用3线制连接于采集设备上，且1根扁平线由9根线组成，因此，1根扁平线连接1个应变花或3个应变单片。图3为1个应变花与扁平线的连接图。接线时要求花片按顺序依次接满各扁平线，单片同样按片号大小依次接满各扁平线。如最后剩余应变单片不能接满1根扁平线，则最后1根扁平线剩余通道留空。

图3 应变花片与扁平线的连接

应变片-扁平线接线在同一区域内进行，不跨区域接线。根据应变分组情况，尽量将相同区域内同一组的应变片连接到对应同一根电缆的扁平线上。应变片连接引线至对接区，引线过程中，应将相同组的3个单片按片号大小依次连接到同一根扁平线上，最后若不足3个单片，则该扁平线留空，对接区应变片引线上粘贴二维码片号标签。

3 试验验证

为了验证本文应变片测量及管理方法，以某大型民机全机静力试验为背景，设计了应变片测量平台，并依据平台对应变片进行了分区、分组和接线。某大型民机全机静力试验采用一体化承载框架，测量平台分布在前机身、中后机身左、右两侧的框架上，共4个测量平台，见图4和图5。

图4 测量平台分布示意图

图5 测量平台平面分布示意图

某大型民机全机应变测量共分为18个区，各应变分区对应的测量平台见表2。考虑到机身气密段统一有4个密封堵头引出和验证片等情况，将验证片适当合并，各应变分区对应的测量平台见表2。机身应变片原则上按轴向对称线平均引至左右两侧的出线孔。

表2 测量平台与各分区应变对应关系

接线以机身为例说明本方法的验证情况。机头、前机身共计768根扁平线，中机身、中后机身共计832根扁平线，后机身共计256根扁平线，其走线示意图见图6。

图6 机身走线示意图

4 结 论

通过对某大型全机结构试验应变片进行分区、分组和接线，得到以下结论：

(1)与传统方法相比，应变片测量效率提升了65%；

(2)本方法应用于某大型民机静力试验，与同类型飞机试验相比，试验效率提升了30%；

(3)为大型全机试验应变片测量及管理提供了参考，该方法已在多个民机结构试验中进行了应用。