起落架連接區地面靜力試驗支持夾具設計方法研究與應用

張園麗

(中國飛機強度研究所 強度與結構完整性全國重點實驗室,陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機結構強度地面試驗工作是在實驗室通過科學合理的手段來模擬飛機在使用中的受載情況,對飛機結構強度進行考核,驗證飛機結構強度是否符合設計指標及是否滿足規范和標準的要求。由于邊界支持條件對試驗結果影響很大,試驗件邊界條件的模擬和支持夾具是飛機結構強度地面試驗的關鍵。國內對試驗數據的質量要求愈來愈高,對試驗件的邊界條件模擬和支持夾具設計也提出了更高的要求。

試驗件的邊界支持不可能與其在飛機上的連接情況一致,可采取工程簡化方案實現,或者采取有限元分析的方法對邊界支持的模擬狀態進行判斷。本文以某型飛機的起落架連接區地面靜力試驗為例,針對前起落架艙的部分傳力結構,設計兩種支持夾具,分析其強度及穩定性。

2 試驗介紹

2.1 試驗件

試驗件為前起落架艙,由前起艙前后端框和前起艙側壁、前起艙上壁及相關加強組件構成。前起艙側壁布置主交點接頭和前交點接頭,分別與前起落架主交點和前撐桿交點相連。

飛機的起落架通常固定在起落架艙內。起落架支柱、作動筒、撐桿上的力和力矩通過前起落架艙兩側腹板傳遞到兩端的機身加強框上,故起落架艙的兩側腹板需承受起落架傳遞來的沖擊載荷,并將載荷擴散到機身中去。

2.2 試驗目的

前起落架連接區地面靜力試驗主要研究前起落架艙側壁主交點區域的應力分布、傳載形式和承載能力,驗證側壁強度的計算方法是否合理。

3 試驗支持

在試驗件側壁兩邊設置過渡段,模擬機身加強框與試驗件鉚接,避免夾具剛度過強干涉起落架載荷在側壁的傳遞,同時在過渡段兩側安裝約束盒段。為了準確計算側壁主交點處的垂向、側向及扭轉剛度,應盡可能地加強約束盒段的剛度,減少對測量數據的干擾。試驗件上的載荷見表1。

表1 試驗件上的載荷

根據試驗件的結構狀態、加載形式及試驗支持的約束要求,設計兩種支持方式:一種為前端固支、后端側向約束;一種為前、后端固支約束。

3.1 前端固支、后端側向約束

將試驗件的前端框與前端約束盒段用56個Φ10的螺栓固定,用12個Φ36的螺栓將前端約束盒段固定在兩個立柱頂端,立柱固定在廠房地軌上,對前端約束盒段進行垂向約束。再使用4個4.5m立柱與約束盒段的航向、側向接頭進行約束,使用若干個專用滾輪頂壓在后端框的側壁隔板上,再將滾輪安裝于垂向滑軌。

3.2 前、后端固支約束

將試驗件的前端框與前端約束盒段用56個Φ10的螺栓固定,后端框與后端約束盒段用116個Φ10的螺栓固定,再將前、后端約束盒段分別固定在4個立柱頂端,對其進行垂向約束,再使用立柱對前、后端約束盒段的側向、航向接頭進行約束。

4 仿真分析及應用

4.1 前端固支、后端側向約束仿真分析

工況1～9采用的是前端固支、后端側向約束,各工況均沒有側向載荷,故無需對后端框側向約束部分進行強度校核。對采用前端框固支約束的9個工況進行載荷處理,計算出每個工況中前端框約束盒段的載荷,見表2。

表2 前端框約束盒段的受載情況

計算后可知,工況1的受載最為嚴重。采用CATIA有限元分析模塊對前端框固支支持進行建模和分析,約束垂向約束立柱和航向約束立柱的底面,在前端框約束盒段與試驗件對接的56個Φ10的螺栓孔上施加工況1的載荷,計算結果如圖1、圖2所示。

圖1 工況1的前端框固支支持的位移云圖

圖2 工況1的前端框固支支持的應力云圖

前端框固支約束除螺栓的材料為30CrMnSiA外,其余材料均為Q345。由應力及位移云圖可以看出,前端框固支約束最大應力σ=22.9MPa,最大變形量為0.454mm。前端框約束盒段與試驗件之間由56個Φ10的螺栓連接,計算得工況1中螺栓最大承載F=9589N,σ=61MPa,滿足前端框固支約束的剛度及強度需求。

4.2 前、后端固支約束仿真分析

工況10～16采用的是前、后端固支約束,對前、后端框約束部分均需進行強度校核。對采用前、后端框固支約束的7個工況進行載荷處理,計算出每個工況中前端框約束盒段的載荷(見表3)及后端框約束盒段的載荷(見表4)。

表3 前端框約束盒段的受載情況

表4 后端框約束盒段的受載情況

計算后可知,工況16的受載最為嚴重。采用CATIA有限元分析模塊對前、后端框固支支持進行建模和分析,約束垂向約束立柱和航向約束立柱的底面,在前端框約束盒段與試驗件對接的56個Φ10的螺栓孔及后端框約束盒段與試驗件對接的116個Φ10的螺栓孔上施加工況16的載荷,計算結果如圖3-圖6所示。

圖3 工況16前端框的應力云圖

圖4 工況16后端框的應力云圖

圖5 工況16前端框的位移云圖

圖6 工況16后端框的位移云圖

前、后端框固支約束除螺栓的材料為30CrMnSiA外,其余材料均為Q345。由應力及位移云圖可以看出,前端框固支約束最大應力σ=63.6MPa,最大變形量為0.142mm;后端框固支約束最大應力σ=122MPa,最大變形量為0.589mm。

前端框約束盒段與試驗件之間由56個Φ10的螺栓連接,計算得工況16中螺栓最大承載F=11220N,σ=71MPa。后端框約束盒段與試驗件之間由116個Φ10的螺栓連接,計算得工況16中螺栓最大承載F=11673N,σ=74MPa,滿足前、后端框固支約束的剛度及強度需求。

5 試驗中的應用

設計的兩種支持方式應用于某型飛機的前起落架機身連接區地面靜力試驗,在位移云圖高點處設置航向位移點,進行工況1試驗時測得前端框最大位移值為1.14mm,進行工況16試驗時測得前端框最大位移值為1.29mm,后端框最大位移值為1.94mm,與理論計算值較為接近?，F場使用情況如圖7所示。

圖7 試驗現場照片

6 結束語

針對前起落架連接區的特殊結構和加載方式,設計了兩種支持方式,并將其應用于試驗中。結果表明,這兩種支持夾具在滿足試驗件的靜定要求的同時,也保證了剛度需求,降低了夾具的穩定性帶來的干擾,使得試驗測量數據更真實有效。