某大型水陆两栖飞机全机静力试验严重工况筛选方法研究

某大型水陆两栖飞机全机静力试验严重工况筛选方法研究

惠兴力

中航通飞研究院广东珠海519000

摘要：全机静力试验是为了测量飞机结构在静载荷作用下的强度、刚度及变形、应变分布情况，验证其结构强度是否满足设计要求及静力分析正确性的重要手段。飞机在飞行、着陆等过程中载荷工况数以万计，如何筛选出其中最严重的情况进行试验就成为了重中之重。本文选取某大型水陆两栖飞机计算载荷，筛选出严重工况进行全机静力试验验证。

关键词：严重工况筛选；全机静力试验；大型水陆两栖飞机

引言

飞机在空中的受载情况非常复杂，根据规范要求，需要对重量、重心、惯矩、速度、高度的多种组合进行载荷计算。计算中各自求解多种机动与突风载荷，载荷情况将达到数万种之多。通常在机动与突风模拟的总载荷求解中，综合运用参数分析、设计点选取和参数选择解决载荷初选问题，最后再用单值包线法及组合包线法来解决载荷最终选取。但经过单值包线筛选后，临界设计情况依旧有过百种，几乎包括了FAR规定的每一类机动飞行。在进行试验载荷工况筛选时需要根据配平后的临界设计工况进行强度分析，确定各部件区域控制工况，并结合空中情况、着水情况、着陆情况剪力、弯矩及扭矩单值包线分别对机身、机翼、平尾和垂尾部件进行试验工况筛选。

一、初步筛选

根据前期对临界设计工况的计算以及借鉴其它型号飞机的设计计算可以看出：对于空中情况对称情况是机翼和平尾的严重受载情况，侧向情况是机翼、尾翼、中后机身和后机身的严重受载情况，突风是尾翼、中后机身和后机身的严重受载情况；对于着陆情况而言，起落架连接区域及机身的受载情况；对于着水情况来讲为机身、机翼受载情况。

二、筛选原则

在进行试验载荷工况筛选时主要根据载荷计算得出空中情况、着水情况、着陆情况剪力、弯矩及扭矩单值包线和全机有限元计算结果，分别对机身、机翼、平尾和垂尾部件进行试验工况筛选，同时还需按照以下方法进行筛选：

对于对称情况筛选出机翼和平尾的严重工况，对于垂尾不做筛选（根据有限元模型计算对称情况不是垂尾的控制工况）、机身主要依据机翼和平尾的严重工况进行筛选；

对于侧向情况筛选出机翼、尾翼和后机身的严重工况，对于前机身（30框前）主要依据机翼、尾翼、中后机身和后机身的严重工况进行筛选；

对于突风筛选出尾翼、中后机身和后机身的严重工况，对于机翼不做筛选（根据有限元模型计算突风情况不是垂尾的控制工况）、前机身主要依据垂尾、中后机身和后机身的严重工况进行筛选；

对于着陆情况筛选出机身及起落架连接区域的严重工况，对于机翼和尾翼不做筛选（根据有限元模型计算着陆情况不是机翼和垂尾的控制工况）；

对于着水情况筛选出机身、机翼的严重工况，对于尾翼不做筛选（根据有限元模型计算着水情况不是尾翼的控制工况）；

对于局部结构的控制工况不作为试验工况，通过分析计算进行验证。

三、筛选过程

根据载荷计算结果绘制出各严重工况弯、剪、扭矩图，本文选取机身部件为研究对象，其空中工况见图1-图5，通过

Fy、Fz筛选

剪力Fy：30框前剪力Fy最大值主要由C05工况控制，34框后最大值主要由C31工况控制；剪力Fz：30框前剪力Fz最大值主要由Z35工况控制（21-27框），34框后最大值由Z35工况和Z56工况控制，其中36-52框由Z35工况控制，53-60框由Z56工况控制；

Mx、Mz筛选

对于中后机身和后机身的侧弯矩和扭矩，筛选出34框后机身侧弯的严重工况为C31，扭矩的严重工况是C21；而对于机身30框前侧弯主要由C05工况、扭矩主要由C25工况控制。比较后得出：30框前扭矩和侧弯矩均远小于34框后扭矩和侧弯矩，34框后机身刚度小于30框前的机身刚度，且C31工况在扭矩严重区域的扭矩值比C21小不超过7%，因此侧弯和扭矩筛选出工况为C31。

My筛选

根据上表中可以看出在机身在3-7框弯矩较小，在7-16框由Z58工况控制、17-37框框由Z57工况控制、38-60框由Z56工况控制，对比分析这三种工况弯矩值得出：在7-16框Z56比Z58小且不超过6%、在17-37框Z56比Z57工况小且不超过12%，因此弯矩My筛选出工况为Z56。

结合Fy、Fz、Mx、My和Mz筛选情况，机身剪力筛选工况为Z56、C05、Z35、C31；机身弯矩筛选工况为Z56；侧弯和扭矩严重工况为C31。

由于Z35工况仅控制36-52框的剪力Fz，且Fy、Mx、My、Mz均较小，通过分析计算来验证；由于C05工况仅控制30框前的剪力Fy，且Fz、Mx、My、Mz均较小，通过分析计算来验证。因此机身空中情况筛选出工况：Z56、C31。

四、结论

通过弯剪扭矩图对比，机身空中情况筛选出的工况Z56和C31对应的空中受载形式为非校验机动和侧向突风，在有限元计算分析过程中也均为严重情况，经本轮筛选可以看出此筛选方法基本满足要求，后续将采用同样方法对其它部件进行筛选对比，选出严重情况进行试验验证。

参考文献

中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准CCAR-25-R4