机身壁板复合载荷强度试验装置及试验方法

摘要

本发明属于一种飞机机身壁板在复合载荷作用下的强度试验装置及试验方法。本发明机身壁板复合载荷强度试验装置包括角盒、气密端板、机身壁板、合页、顶杆、龙骨、弧形橡胶板。其中，气密端板设置在机身壁板的两端，角盒为弧形构件，安装在气密端板与机身壁板之间的结合部，龙骨为弧形骨架，各龙骨之间通过弧形橡胶板粘接成龙骨组，顶杆安装在龙骨组的两端腹板上，合页设置在机身壁板与龙骨组上，实现二者的铰合链接。本发明既能有效模拟机身壁板的边界条件，又便于施加复合载荷来完成强度试验。由于拉伸载荷和压缩载荷不同时施加，施加复合载荷是指施加内压载荷、拉伸（或压缩）载荷和剪切载荷中的一种、两种或三种载荷。

说明书

技术领域

本发明属于飞机强度试验技术，涉及一种机身壁板复合载荷强度试验装置及试验方 法。

背景技术

机身壁板强度试验是飞机机身设计的最重要的依据，目前国内开展的机身壁板强度 试验有：机身壁板拉伸试验、机身壁板压缩试验、机身壁板剪切试验、机身壁板内压试 验、机身壁板拉伸+内压载荷试验等；形成一系列的强度试验装置。

机身壁板强度试验共包括十一种载荷工况：内压工况、拉伸工况、压缩工况、剪切 工况、内压+拉伸工况、内压+压缩工况、内压+剪切工况、拉伸+剪切工况、压缩+剪切 工况、内压+拉伸+剪切工况、内压+压缩+剪切工况。现有机身壁板试验装置仅能进行这 十一种载荷工况中的一部分载荷工况试验。现有壁板试验装置一般由加载龙门架、加载 连接件、加载作动筒、机身壁板试验件等组成，如图1为机身壁板拉伸载荷强度试验装 置，该试验装置主要由加载龙门架（由两根龙门立柱和一根龙门横梁构成）、连接件、 加载作动筒、机身壁板试验件等组成，该试验装置可完成机身壁板拉伸载荷工况试验。

例如某型飞机机身壁板压、剪许用值研究就是对36件和50件机身壁板分别进行了 轴向压缩和剪切试验，旨在为该飞机机身典型壁板的压剪许用值的确定提供依据，该项 研究的加载装置只能进行单项压缩和单项剪切载荷试验，实际使用时局限性较大。

发明内容

本发明的目的：提供了一种能有效模拟机身壁板复合载荷边界条件又便于施加复合 载荷的强度试验装置及试验方法。

本发明的技术方案是：一种机身壁板复合载荷强度试验装置，其包括角盒、气密端 板、机身壁板、合页、顶杆、龙骨、弧形橡胶板，其中，气密端板设置在机身壁板的两 端，角盒为弧形构件，安装在气密端板与机身壁板之间的结合部，龙骨为弧形骨架，各 龙骨之间通过弧形橡胶板粘接成龙骨组，顶杆安装在龙骨组的两端腹板上，合页设置在 机身壁板与龙骨组上，实现二者的铰合链接。

所述合页的上合页片具有与机身壁板相同的弧度，下合页片具有与龙骨腹板相同的 弧度。

所述顶杆为两段螺纹套接的杆件。

所述龙骨为H钢热弯加工而成。

所述龙骨组轴向刚度不大于机身壁板轴向刚度的千分之一。

所述弧形橡胶板形状和尺寸与龙骨相同，厚度至少为20mm。

所述角盒与气密端板对接面设置有环形橡胶垫。

所述气密端板上设有充压接头以及人孔盖板。

一种机身壁板复合载荷强度试验方法，进行载荷加载试验时，通过充压接头充气的 方式进行内压载荷施加，通过压缩或拉伸气密端板施加拉伸或压缩载荷，通过扭转气密 端板的方式施加剪切载荷，并实现了拉伸或压缩载荷的压心随动加载。

一种机身壁板复合载荷强度试验方法，进行边界模拟时，通过调节拉杆长度模拟机 身壁板在内压载荷作用下的鼓胀变形；龙骨组轴向刚度不大于机身壁板轴向刚度的千分 之一，确保压缩或拉伸载荷仅施加在机身壁板上，模拟机身壁板在压缩或拉伸载荷作用 下的缩短或伸长变形；采用由机身壁板和龙骨组形成的单闭室受剪的方式模拟机身壁板 剪切载荷边界条件。

本发明的有益效果是：

1）首次有效的模拟了内压、拉伸（或压缩）、剪切载荷边界条件（如技术方案所述）； 能进行机身壁板复合载荷作用下所有工况强度试验。以前的试验装置仅能进行十一种工 况中的一种或几种工况强度试验，该试验装置能进行复合载荷作用下所有工况强度试 验。

2）首次实现了拉伸（或压缩）载荷的压心随动的加载：在剪切载荷施加时，拉伸 （或压缩）载荷始终施加在机身壁板的压心上，并且拉伸（或压缩）载荷的压心随着剪 切载荷的施加而随动。

3）首次实现了在没有过渡段的情况下通过扭矩施加剪切载荷。通常施加剪切载荷 时，机身壁板两条曲边都需加工与机身壁板长度相当的过渡段，以减小边界效应，采用 该试验装置，由于剪流施加在一单闭室结构内，不需加工过渡段就可施加均匀的剪切载 荷。

4）通过试验证明该试验装置及试验方法科学可行、满足工程试验要求。

附图说明

图1是一种现有技术机身壁板复合载荷强度试验装置结构图；

图2是本发明机身壁板复合载荷强度试验装置的结构示意图；

图3是机身壁板结构示意图；

图4是机身壁板受力图；

图5是角盒结构示意图；

图6是环形橡胶垫结构示意图；

图7是龙骨结构示意图；

图8是弧形橡胶板结构示意图；

图9是顶杆结构示意图；

图10是合页结构示意图；

图11是气密端板平面视图；

图12是组合件一示意图；

图13是组合件二示意图；

图14是组合件三示意图；

图15是组合件四示意图；

图16是本发明机身壁板复合载荷强度试验装置复合载荷施加示意图；

图17是机身壁板在内压载荷作用下变形结果示意图；

图18是内压工况试验机身壁板蒙皮应力直方图；

图19是压缩工况试验机身壁板蒙皮应力直方图；

图20是压缩工况试验龙骨应力直方图；

图21是剪切工况试验机身壁板蒙皮剪切应力直方图；

其中，1-环形橡胶垫、2-角盒、3-气密端板、4-机身壁板、5-合页、6-顶杆、7-龙骨、 8-弧形橡胶板、9-充压接头、10-人孔盖板。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

请参阅图2，其是本发明机身壁板复合载荷强度试验装置的结构示意图。所述机身 壁板复合载荷强度试验装置主要由环形橡胶垫1、角盒2、气密端板3、合页5、顶杆6、 龙骨7、弧形橡胶板8、充压接头9、人孔盖板等9种部件和机身壁板4通过螺栓连接或 粘接剂连接装配而成。

如图3所示，机身壁板是指从机身圆筒上选取的一段包括5~9根长桁和5个框和一 块蒙皮的机身结构。

施加复合载荷是指可以施加内压载荷、拉伸（或压缩）载荷和剪切载荷中的一种、 两种或三种载荷。因为拉伸载荷和压缩载荷不能同时施加，所以复合载荷共包括以下十 一种工况：内压工况、拉伸工况、压缩工况、剪切工况、内压+拉伸工况、内压+压缩工 况、内压+剪切工况、拉伸+剪切工况、压缩+剪切工况、内压+拉伸+剪切工况、内压+ 压缩+剪切工况。

机身壁板需要施加的载荷有内压载荷、拉伸（或压缩）载荷和剪切载荷。内压载荷 施加在机身壁板的内表面，拉伸（或压缩）载荷施加在机身壁板的两条曲边上，剪切载 荷也施加在机身壁板的两条曲边上；内压载荷施加在机身壁板的内表面，在机身壁板的 直边上产生约束拉伸载荷，剪切载荷施加在机身壁板的两条曲边上，在机身壁板的直边 上产生成对的剪切载荷，机身壁板受力如图4所示。

如图5所示，角盒为圆弧形钢构件，截面形状与角钢的截面形状类似，平面和曲面 均匀的加工有两排螺栓孔，角盒共两件，分别安装在机身壁板两条曲边端头的外侧，作 用是将机身壁板曲边安装在气密端板上。

如图6所示，环形橡胶垫为厚度5mm的丁腈橡胶板，加工成椭圆形，共两件，分 别安装在两块气密端板的内侧，环形橡胶垫上半部分安装在气密端板与角盒之间，作用 是密封气密端板和角盒之间的空隙，环形橡胶垫下半部分安装在气密端板与龙骨组之 间，作用是密封气密端板和龙骨组之间的空隙。

如图7所示，龙骨由100型H钢热弯加工而成，两条缘板均匀的加工有螺栓孔，用 于龙骨和龙骨连接，龙骨两端的腹板上加工有用于安装顶杆的圆孔，龙骨数量较多，具 体数量由机身壁板的长度确定，龙骨与龙骨之间粘接弧形橡胶板组成龙骨组，龙骨组有 两个作用，一是组成密闭结构，方便施加内压载荷，二是和机身壁板组成单闭室结构， 可以传递剪切载荷。

如图8所示，弧形橡胶板为厚度20mm的丁腈橡胶板，加工成与龙骨缘板相同的圆 弧形，数量较龙骨少一个，弧形橡胶板先粘接在两龙骨之间，再用螺栓将弧形橡胶板和 与其相连的龙骨缘板连接，弧形橡胶板有两个作用，一是密封相邻的两个龙骨，二是降 低试验装置机身壁板长桁方向刚度，弧形橡胶板结构。

如图9所示，顶杆为钢构件，按螺套的原理设计，其长度可以调节,。顶杆安装在龙 骨两端头，因为龙骨组两端的龙骨不需要安装顶杆，所以顶杆数量较龙骨少两个，顶杆 可以增加龙骨的刚度，多个顶杆安装在试验装置上组成顶杆组，顶杆组可以调节试验装 置机身壁板直边的位移。

如图10所示，合页为钢构件，由上合页片、下合页片和合页轴组成，与普通合页 结构相同，只是上合页片带有与机身壁板相同的弧度，下合页片带有与龙骨相同的弧度， 合页数量为龙骨的两倍，合页的作用是将机身壁板两直边与龙骨两端头连接。

如图11所示，气密端板为40mm厚矩形钢构件，共两件，每块气密端板上部加工 有与角盒连接用螺栓孔，下部加工有与龙骨连接的螺栓孔，中部加工有方形人孔，除此 之外，每块气密端板还加工有充压接头安装孔、人孔盖板安装孔、应变测量电缆出孔等。

充压接头为圆形钢构件，共两件，安装在气密端板上，用于机身壁板施加内压载荷。

人孔盖板为方形钢构件，共两件，分别安装在气密端板上，用于试验装置人孔密封。

本发明机身壁板复合载荷强度试验装置连接和安装方式如下：

首先将龙骨与弧形橡胶板交替粘接后用螺栓连接成型组成组合件一，组合件一两端 头应为龙骨，如图12所示。其次将顶杆安装在龙骨两端组成组合件二，如图13所示， 组合件二两端头的两根龙骨不安装顶杆，在顶杆两端均安装有用于密封的橡胶垫片和调 节顶杆时降低摩擦力的支推轴承。第三用合页将机身壁板两条直边安装在组合件二两条 直边的龙骨上，组成组合件三，如图14所示。最后将气密端板安装在组合件三的两端， 再在气密端板上安装充压接头和人孔盖板，组成组合件四，如图15所示。

试验装置特征在于可施加机身壁板的复合载荷：

在进行机身壁板复合载荷强度试验时，试验装置一端的气密端板安装在承载立柱上 形成固定支持，另一端的气密端板安装在加载框架上，而加载框架安装在旋转轴上，旋 转轴固定在承载立柱上，加载框架即可在旋转轴上前后移动，又可以绕旋转轴旋转。通 过加载框架来施加拉伸（或压缩）和剪切载荷：拉伸（或压缩）载荷通过三个作动筒施 加，三个作动筒施加载荷的压心在机身壁板拉伸（或压缩）的压心上，三个作动筒收缩 施加压缩载荷，三个作动筒外伸施加拉伸载荷；通过扭转加载框架来施加剪切载荷，剪 切载荷通过两个作动筒施加，一个作动筒收缩加载，另一个作动筒外伸加载，两个作动 筒施加大小相同、方向相反的载荷，两个载荷形成一力矩来施加剪切载荷。通过固定端 气密端板上的充压接头施加内压载荷，试验装置复合载荷施加如图16所示。

试验装置特征在于边界条件的模拟：

机身壁板内压载荷的边界条件模拟：试验装置通过调节顶杆的长度来模拟机身壁板 在内压载荷作用下的鼓胀变形，靠近气密端板的顶杆向外伸出较短，气密端板中间的顶 杆向外伸出较长，有效的模拟了机身壁板内压载荷的载荷边界条件和位移边界条件。因 为在没有顶杆的情况下施加内压载荷，机身壁板整体向外鼓胀变形，导致机身壁板直边 将向内收缩变形，机身壁板在内压载荷作用下的变形结果如图17所示，这时机身壁板 直边上的边界效应为整个机身壁板的近40%。该试验装置通过调节顶杆的长度，可以将 这种边界效应消除，如图18所示，图18为内压工况试验机身壁板蒙皮应力直方图（单 位为：Mpa），从图18可以看出蒙皮应力特别均匀，证明消除了机身壁板直边上的边界 效应。

机身壁板拉伸（或压缩）载荷的边界条件模拟：试验时松开试验装置龙骨、弧形橡 胶板与龙骨间的连接螺栓，试验装置的龙骨与弧形橡胶板交替连接，弧形橡胶板的厚度 为20毫米，且扯断伸长率均大于100%，所以龙骨和弧形橡胶板组合件的轴向（长桁方 向）刚度远小于机身壁板，这样随着非固定端气密端板的前后移动，拉伸（或压缩）载 荷全部施加到机身壁板上，而不会施加在龙骨和弧形橡胶板组合件上，有效的模拟了机 身壁板拉伸（或压缩）载荷的边界条件，如图19、图20所示，图19为压缩工况试验机 身壁板蒙皮轴向应力直方图，图20为压缩工况试验龙骨应力直方图，从图20可以看出， 龙骨上的最大应力为2.55Mpa，最小应力为-1.96Mpa，龙骨应力很小，而且应力为有 正值，也有负值，说明龙骨上没有施加压缩载荷，压缩载荷全部施加在机身壁板上，而 图19表明机身壁板蒙皮轴向应力很均匀。

机身壁板剪切载荷的边界条件模拟：采用单闭室受剪的方式来模拟机身壁板剪切载 荷边界条件，机身壁板与龙骨弧形橡胶板组合件形成一个单闭室结构，单闭室结构的两 端安装有气密端板，通过扭转气密端板来施加机身壁板的剪切载荷，有效的模拟机身壁 板剪切载荷的边界条件，如图21剪切工况试验机身壁板蒙皮剪切应力直方图（Mpa）， 从图20可以看出四个应力剖面的应力特别相似。