大尺寸柔性拦阻网强度试验加载装置设计方法

马利娜

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

货舱拦阻网是飞机货运系统中安全保障必备装置，用于飞机应急着陆时防止货物过量移动，保护机组人员及设备安全。大型运输机常采用格网式拦阻网，由纵向承力带和横向承力带组成[1]。纵向承力带和横向承力带为十字交叉编织，网格呈矩形，交叉处采用和网带相同的缝纫线缝制。拦阻网主承力构件为柔性织物，受力时呈显著的非线性变形特点，其相对于金属结构，呈现出大变形的特点。拦阻网与机身多点连接，呈超静定状态，载荷分配不匀时，易导致单根承力带超载而发生破坏。

目前，国内在役民用运输机所安装的拦阻网均为由欧美供应商处采购的成品，拦阻网强度验证试验由欧美进行，国内无相关数据。某型飞机为我国首款依照最新适航规范研发、具有彻底自主知识产权的大型商务运输机。货舱拦阻网为首次由国内供应商设计研发的拦阻网产品，按照CCAR25.305a)、b)，CCAR25.307a)、d)，CCAR25.787a)、b)等要求进行强度验证，强度验证试验为国内首次。

本文分析拦阻网结构和受力特点及变形特点，设计制造了用于拦阻网强度验证的加载装置，并成功完成某型飞机货舱拦阻网地面强度试验。试验结果表明，该设计方法可用于运输类飞机货舱拦阻网。

2 拦阻网特性

拦阻网承力结构为柔性编织物。柔性编织物的特点为：单一结构在承力时呈现出显著的非线性特点，初始模量较小，受力时变形有陡增现象[2]；复杂柔性结构传力特性更为复杂，受多重因素影响，对结构相互间变形协调要求更高，受力时易发生大变形。

某型飞机货舱拦阻网为格网式(如图1所示)，由多根纵向、横向传力带构成，与机身连接点多达28个，纵向传力带为主传力带，载荷主要作用于主传力带，并通过横向传力带分散，最终作用于机身连接点上。拦阻网传力路径极为复杂，对各传力带的协调变形要求极高。

图1 货舱拦阻网

拦阻网无真实机身结构作为边界支持，呈超静定状态，加之为保护机身结构，极限状态下拦阻网要先于机身破坏，强度裕度受限[3]，极易出现各传力带变形不协调、受力不均匀导致单根编织物承力带载荷超出限定载荷而提前发生破坏。

3 加载装置设计

3.1 全网面货物加载曲面模拟

拦阻网为柔性结构，对货物的限动作用主要通过拦阻网与货物接触发生变形吸收货物的动能而实现。拦阻网变形不仅受载荷作用点影响，与接触的货物形状、易变形程度及接触面积等复杂因素直接相关[4]。因实际使用过程中货物形状等因素复杂多样，无法定性、定量分析对拦阻网变形的影响，且若要在试验过程中控制假件形状和变形程度达到与拦阻网变形相匹配，实施难度极大。故模拟货物假件采用刚性设计，设计中不考虑假件变形，仅从假件与拦阻网接触的加载形状着手设计货物假件加载曲面形状，使其符合拦阻网变形规律。

货物假件加载曲面根据理论分析及货物装载规范设计[1]，在极限载荷状态下拦阻网产生变形，模拟工程使用状态，拟合成曲面形状。曲面匹配拦阻网变形协调规律，保证拦阻网各主传力带在加载过程中为主要承载部位。为保证强度验证的合理性和有效性，加载曲面基本覆盖拦阻网全网面，对拦阻网主传力带进行考核的同时，对全网的协调变形要求更高，考核更为严格。货物假件模拟加载曲面见图2。

图2 货物假件模拟加载曲面

3.2 全网面货物假件设计

货物假件加载曲面为大面积空间异形曲面，转化为实体需采用数控手段加工成型。试验过程中，需通过移动假件与拦阻网接触达到施加载荷的目的。为便于试验实施，不仅需要考虑假件加载曲面的可加工性，还需要考虑假件重量、重心等问题。经多方比较，假件加载面材质选取实物假件，其在拦阻网载荷作用下不会产生变形，通过数控加工成要求的曲面。为防止拦阻网织带被木材划伤，要求曲面加工成型后表面打磨至光滑。

因拦阻网面积较大，相应的加载曲面面积较大，无法整体完成加载假件加工。设计中使用多块木材加工成要求的曲面，单块木材采用螺接方式按曲面形状排列固定在框架上，形成整体加载曲面，见图3。

图3 全网面货物假件

4 货物移动方式仿真

拦阻网通过货物假件作为中间介质施加载荷，柔性结构非线性的特点决定了拦阻网在载荷作用下易产生较大变形。由于货物假件需满足全网面大尺寸设计，假件自身体积及重量较大，如何保证假件真实模拟货物在装机状态下的大范围平稳移动，是解决拦阻网加载的关键问题。

4.1 推车式框架

加载框架由多块木块加工而成，为实现试验加载，设计推车式加载框架，将货物假件固定在框架前端。加载框架刚性较大，与货物假件固定形成整体，受载时的变形可以忽略。

为克服框架自身重量并防止框架翻倒，框架下端安装4个滑块，以滑动形式模拟货物受载时在地板上的平动方式。整个框架模拟小车形式，通过加载作动筒连接框架，推或拉动货物假件移动，达到模拟货物自由平动的目的。

使用作动筒对框架施加主动载荷，可满足载荷控制精度要求，提高试验效率。推车式加载框架如图4所示。

图4 推车式框架

4.2 假件大行程移动技术

为模拟实际使用过程中货物克服地面摩擦进行大范围移动，使用光滑导轨配合滑块降低假件所受摩擦力。将加载框架下部的4个滑块安装在导轨上，滑块仅能沿导轨方向滑动。导轨方向与载荷方向一致，限制其他方向位移，放开货物假件沿载荷方向位移，满足以下设计条件：

U1=U2=UR1=UR2=UR3

(1)

U3=U拦阻网变形

(2)

导轨长度及安装位置依据拦阻网有限元变形理论分析，并做相应的工程处理设计形成。加载过程中，加载框架在作动筒推动下沿导轨平面平稳滑动，与拦阻网接触并随拦阻网变形发生大行程移动。

5 试验中的应用

某型飞机货舱拦阻网静强度验证试验中，对拦阻网的承载能力进行摸底，验证试验件结构设计是否合理、强度是否满足设计要求以及是否满足适航规定相关条例要求。

试验过程中，拦阻网安装在模拟真实装机条件的试验台架上。货物假件在作动筒作用下，在导轨上沿载荷方向随拦阻网变形发生大范围移动，实现对拦阻网的平稳加载，载荷跟随性良好，如图5所示。

图5 加载控制反馈

采用该加载方案后，强度验证顺利通过，且同类试验结果保持相对稳定性，试验结果见表1。

表1 试验件破坏载荷

6 结 论

本文针对拦阻网柔性结构受力时载荷分配规律及变形特点进行研究，提出了适用于拦阻网柔性结构加载方案的设计方法，形成了适用于工程试验的拦阻网试验加载装置，并应用于某型飞机拦阻网审定试验。试验结果表明，该加载装置合理、高效，可满足柔性结构加载要求，可供后续拦阻网类试验借鉴。