飞机结构强度试验加载装置设计

张清勇

（中国飞机强度研究所 全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点试验室，陕西 西安 710065）

在飞机结构试验中，采用合理先进的试验设备是试验高质量完成的前提和保证。按照任务书要求，精心设计并通过主动加载方法施加给被考核结构，主要考核部位有机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼、发动机吊挂、起落架等。对于机翼等考核向上载荷较大的结构而言，采用龙门架加载系统实现向上加载[1-2]。龙门架加载系统具有承载能力大、安装方便的优势，且能够覆盖更多的加载点，对于飞机全机试验有着非常良好的积极作用。

1 设计思路

龙门架加载系统一般分左右对称布置，主要包括龙门架立柱和横梁，布置如图1所示。试验过程中，将龙门架加载系统作为向上加载点的承载基础，其中的横梁作为一级梁，再根据各试验情况加载点位置不同，设计二级梁搭接在一级梁上，龙门架立柱和横梁均必须具有足够的安全系数[3-5]。

图1   龙门架加载系统

在龙门架加载系统应用之前，必须对龙门架加载系统所有结构件进行强度校核，以确保所有装置必须满足承载需求，保证试验件的安全。

龙门架加载系统中，龙门架立柱、横梁采用钢板与型材组合焊接而成，其材料均选用Q235，材料的屈服强度σs=235 MPa，弹性模量E=210 GPa。

2 强度校核

根据试验要求，龙门架加载系统需要承载80 t载荷，结合试验件安装高度、试验件尺寸和试验加载设备尺寸等因素，龙门架立柱高度设计为12 m，横梁总长设计为11 m。龙门架加载系统尺寸如图2所示。

图2   龙门架加载系统尺寸

2.1 龙门架立柱校核

所设计龙门架立柱截面如图3所示。其中1为20号角钢，2和3均为568 mm×20 mm钢板。

图3   龙门架立柱截面图

（1）强度计算

龙门立柱截面面积为：

式（1）中：A1为1号件的截面积，A2为2号件的截面积，A3为3号件的截面积。

每个龙门架立柱最大极限载荷F=80 t，按4倍安全系数进行计算：

式（2）中：F为龙门架承载载荷，A为龙门架截面积，[σ]为材料许用应力，σs为材料屈服强度。

根据式（3）结果得知结构强度满足要求。

（2）稳定性计算

龙门架立柱截面对称，对于x轴和y轴的惯性矩相等，故按Ix计算。

图3中1为20号角钢，其对于重心的惯性矩为Ix0=2867.3 cm4，截面面积为A1=76.505 cm2，重心距角钢下边缘距离为56.9 mm，其重心距x轴距离为x1=268.1 mm。

角钢对于x轴的惯性矩为：

2和3可近似认为组成为方形框架，可对其整体计算惯性矩。

其惯性矩为：

式（5）中：a为2和3组成的方形框架外侧尺寸，b为2和3组成的方形框架内侧尺寸。

横截面总的惯性矩为：

按一端固定，一端自由计算，长度系数μ=2，梁高度L=12 m。

临界压力：

系统安全系数要求按nst=4计算，则根据龙门架立柱所能承受的最大压力校核结果为：

工作系数大于安全系数，合格。

2.2 横梁校核

图 4  横梁截面图

近似认为其重心在截面中心位置，求每一部分对x轴的惯性矩：

式（9）中：b1为1号件边长，A1为1号件截面积，lx1为1号件重心距x轴的偏移距离。

式（10）中：b2和h2分别为2号件边长，A2为2号件截面积，lx2为2号件重心距整个截面重心的偏移距离。

式（11）中：b3和h3分别为3号件边长。

式（12）中：b4和h4分别为4号件边长，A4为4号件截面积，lx4为4号件重心距x轴的偏移距离。

总截面惯性矩：

式（14）中：ymax为截面最远点距x轴的距离，

载荷在横梁最中间时，梁中间所受弯矩最大，其弯矩为：

式（17）中：[σ]为材料许用应力，σs为材料屈服强度。

由式（17）可知横梁结构强度满足要求。

3 结    论

依据试验要求设计了龙门架加载系统，并对设计结果进行了强度校核，满足试验要求。所设计的龙门架加载系统已经成功应用到飞机结构强度试验中，保证了试验的顺利进行，为今后同类试验装置的设计提供参考依据。