光纤测试技术在起落架静强度试验中的应用

陈庆童,杨广根,王 宇

(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)

0 引言

起落架作为直升机的关键部位,对飞行安全有重要影响,是直升机设计和分析的关键[1]。适航规章对起落架静强度试验有明确的要求[2],在相关标准及规范中也有具体的试验要求。传统的起落架静强度试验,一般是采用电阻应变片测量方法实现起落架静强度试验的应变测量。传统电阻应变片测量方法中,粘贴、走线布线以及组桥等步骤均耗费大量人力物力和时间;另外也容易受到外界环境(如温度、湿度、电磁)等干扰因素的影响;且一个通道只能连接一片应变片用于单点测量,测量时需接大量的导线,较为繁琐。

与传统电阻应变测试方法相比,光纤光栅传感技术[3-5]的优点在于:①抗电磁干扰,传输距离远;②多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用,增加了系统容量;③更少的连接线,因此会对测试物体产生更少的干扰;④光纤集传感和传输于一身,光纤上任意一段既是敏感单元又是其他敏感单元的信息传输通道,可进行空间上的连续检测,一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图,如果将光纤布设成网状,就可以得到被测量的二维和三维分布情况。

本文先进行光纤光栅应变基础研究,将其研究结果应用到对起落架静强度试验的应变测量,并且与传统电阻式应变片和仿真计算结果进行对比分析,进而评价所提出方法的有效性。

1 光纤光栅应变测试原理

光纤光栅测试是一种新型的应变测试方法,通过测量Bragg波长的偏移来实现试验对象应变的测量。一束宽带光入射到光纤光栅中,反射光波长λB为[3]

λB=2neffΛ

(1)

式中,Λ为光栅周期;neff为光纤纤芯的有效折射率。

光栅仅受载荷影响时,应变与波长偏移量关系[4]为

(2)

式中,ΔλB为波长偏移量:K为应变灵敏度:Pε为光纤的有效弹光系数。

光栅仅受温度影响时,温度与波长偏移量关系[3]为

(3)

式中,α为光纤热膨胀系数;η为光纤的热光系数;ΔT为被测物体温度变化量。

将光纤光栅粘贴在物体表面测量应变时,光纤受到外载荷和温度的共同作用,波长改变量为

(4)

被测物体在外载荷作用下产生的应变为

(5)

2 光纤光栅应变基础

2.1 等强度梁结构试验

为进行光纤光栅应变基础研究,以等强度梁结构为研究对象。

将等强度梁一端固定约束在试验台架上,并在等强度梁的另一端施加一个集中力,加载示意如图1所示。本试验采用砝码加载,载荷从0 kg以7 kg为递增单位加到35 kg,加载过程中同步记录应变数据。等强度梁尺寸见图2,光纤光栅应变片粘贴见图3。

图1 标定试验加载示意图

图2 等强度梁尺寸示意图

图3 等强度梁应变片位置图

2.2 粘贴剂的选取

对粘贴剂的固化环境、固化时间、线性度、回零、附着力和耐高低温进行测试。

等强度梁试验得出不同的粘贴剂试验数据见表1。

表1 胶粘剂试验数据

通过图4我们可以看出,535ND、天山805线性度较好。

图4 载荷与波长的曲线图

通过试验对粘接剂的性能和适用性进行了分析及测试,粘接剂的测试情况总结如表2所示。

表2 粘接剂测试情况

经过测试,根据固化条件、固化时间、线性度、回零、附着力和耐高低温等条件,最终选定了天山805胶,此胶在其他航空领域也已有应用。

2.3 光纤光栅的标定

由于光纤光栅测出的是波长,因此需要对同一批次的光纤光栅进行标定,以测出波长与应变之间的系数关系。通过等强度梁结构试验求出应变与波长偏移量的关系,为光纤光栅传感器在起落架静强度试验的应用提出计算依据。

光纤光栅标定试验结果见表3。

表3 标定试验结果表

ΔλB与微应变ε之间的关系如图5所示。

图5 ΔλB与微应变ε之间的关系图

3 起落架强度试验应用

3.1 试验件及载荷状态

为了验证光纤光栅应变测试方法在直升机结构强度试验方面的有效性,利用金属起落架作为验证对象,采用起落架金属承力支柱一套,其中包括:外筒(45#钢)、活塞杆(45#钢)、大螺母、轴承、上腔底、下腔底、密封套筒、扭力臂(铝)、撑杆(45#钢)、堵油塞。起落架试验载荷如表4所示。图6为起落架结构示意图。

表4 试验载荷

3.2 应变测量点位置布置

为了验证对比光纤光栅应变测量与传统电阻式应变片测量的精度,在如图7所示的起落架典型位置上布置3个应变测量点,同时采用光纤光栅应变测量及传统电阻式应变片测量应变,并在每级载荷下记录各位置的应变值。图8为扭力臂上光纤光栅测量点布置与传统电阻式应变片布置照片。

3.3 数值仿真计算

利用MSC.Natran软件对金属起落架进行受力分析。结构采用四面体单元模拟;连接螺栓通过梁单元模拟,约束连接摇臂接头XYZ三个方向平动和转动;载荷通过RBE2加载到下面耳片上。图9为网格划分图,图10为起落架的数值仿真计算结果云图。

3.4 强度试验方案

试验前先通过向起落架密封腔中注入15#航空液压油,调整活塞杆的压缩行程至36 mm;然后将试验件安装至试验台架上,按试验要求设计能同时满足x向及y向载荷的加载接头。x向载荷通过立柱上的作动器直接施加;y向载荷利用杠杆通过可调式龙门架上的作动器施加。试验安装示意图如图11和图12所示。

图12 试验现场试验照片

3.5 试验结果对比

按表4中的试验载荷的10%的增量逐级协调加载至100%试验载荷时,保载3 s,然后卸载至零。每级载荷下测量应变值,并将试验结果与数值仿真计算结果进行对比。表5为每级载荷下的光纤应变测量结果、电阻式应变片测量结果以及数值仿真计算结果。从表5可以看出,在满载下光纤应变与传统电阻式应变结果几乎一致,且与理论计算结果接近。但是在低载时,由于实际试验可能存在安装间隙或者试验件部件配合间隙等原因,两种应变测量的所有结果与理论计算结果偏差都较大。

表5 试验结果

图13-图15为应变测量点各级载荷级数下的应变测量结果。通过这三幅曲线图可以看出,光纤应变测量结果与传统应变测量结果趋势以及应变大小基本一致,其中的微小差距可能是由于光纤应变测量和电阻应变片测量的贴片位置稍有不同而造成的。从这三幅图可以得出光纤应变测量精度能满足起落架静强度试验需求,可以应用于起落架静强度试验。

图13 测点1应变结果

图14 测点2应变结果

图15 测点3应变结果

图16为应变测量点的光纤测量结果、电阻应变片测量结果与数值仿真计算结果之间的相对误差曲线图。从该图可以看出,在加载前期,三个测点的试验结果与数值仿真结果相对误差均偏大,可能是由于实际试验件的装配关系和理论模型稍有不同,存在安装间隙或装配间隙,导致在加载前期相对误差偏大。后续随着载荷级数的增加,间隙逐渐减小或消失,相对误差逐渐减小。

图16 应变测量与数值仿真结果相对误差

4 结论

本文将光纤光栅传感器应用于起落架静强度试验中,并将光纤光栅应变传感器测量结果、传统电阻式应变片测量结果与数值仿真计算结果进行了对比分析,得出结论如下:

1)在飞机起落架静强度试验中开展了光纤应变测量,对比分析结果验证了光纤应变测量在飞机结构应变测量中的有效性,测量结果满足工程精度要求,为机体结构静强度试验中应变测量提供了新思路;

2)在实际应用中,传统电阻式应变片采用单点单线,且需要进行组桥相关操作,而光纤光栅传感器在这方面具有非常大的优势,特别是在测点较多的试验中,可以大幅缩短试验时间。