航空航天科学技术
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2019.05.013
2019 NO.05Science and Technology Innovation Herald科技创新导报民用飞机全机静力试验机身加载方案研究
于国庆
(哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150066)
①
摘 要：民用飞机是一种用于运载货物或载人的交通工具，因服务于民用不用于军事用途，故称为民用飞机。但民用飞机在特殊时期可以随时作为军用飞机使用。本文通过科学的分析、有限的元计算以及几种测量技术对民用飞机全机静力实验机身加载方案进行了科学的研究。本研究通过对机身单元的内力进行统一考察，以分析机身内力分布的角度为侧重点为实验方案提供数据支持。为了得到更真实、科学的模拟机身载荷的传力路径，特意采用货舱地板与客舱地板双层加载相结合的方案。关键词：民用飞机 静力试验 机身加载方案 研究中图分类号：V228.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)02(b)-0013-02
1 民用飞机相关概念以及全机静力试验机身加载方案
军用和民用飞机都有自己的使用范围和飞行功能，在战术和技术指标上也不尽相同。但是它们也有很多的共性，如结构、有效载重、机动性、敏感性、续航能力等。现如今飞机大部分是采用新材料和新工艺，如此可以有效降低结构的重量。在进行飞机强度设计时，依托高速计算机和有限元分析软件使飞机设计的静强度的准确度越来越高。除此之外，飞机全机静力试验机身加载方案研究是验证新研制飞机强度的主要试验方案之一[1]。
飞机研制是一个复杂的过程，在飞机研制中，要充分考虑如何科学地验证飞机结构地面强度。在运输类民用飞机中有很多类型，也有很多适航标准。不同的适航标准对飞机的结构强度有不同的要求，其中CCAR-25部对结构强度的设计以及验证就有很高的要求。但分析验证仅仅处于验证阶段，验证的科学性与严谨性远低于实验验证。所以在飞机特别是全机级别的验证上，必须采取科学的静强度试验措施。只有完成静强度试验才能进行飞行试验。
不管是民用飞机还是军用飞机，大多数的组成部分都有起落装置，机身，机翼，尾翼以及动力装置。在众多组成部分中最关键的部分是机身。机身起到重要的作用，比如可以将飞机的其他部位连接成一个完整的整体，保留宽阔的空间用于承载装备和武器或者是人员，使飞机起到飞机专有的作用。所以，在民用飞机的研究中研究机身的载荷是非常关键的举措。要模拟出机身结构真实的受载情况就要采取多种科学的措施并进行比较，从而提高实验的有效性。
新型的加载方式与传统的加载方式是不同的，新型的加载方式在传统的方式之上有所创新。如：传统的研究方式是在民用飞机机身之外粘贴一定量的胶带，从而将载荷施加到机身上。而新的加载实验方式与之不同的是：利用机身特殊的结构搭建杠杆系统进行加载实验——货舱和客舱的地板横梁滑轨。新型的机身加载方案具有很多优点。在机身的载荷分配上说，该方案能更真实、有效地模拟机身各个部位的受载情况，并且分配更均匀。数据越
准确实验的结果越真实。除此之外，运用机身杠杆原理能
够尽量减少机身外表面的占用面积，在试验全过程中更干净。在机身外部检测应变片能更好地控制蒙皮进入的张力场。因此，实验研究杠杆系统类型的加载方案具有高的科学性和有效性并且被广泛地应用于各种同类实验中。而杠杆系统的原理也被更多科学家进行研究。
本文通过对民用飞机的全机静力的几种试验进行对比、计算，全面考察机身单元的内力等，望能对机身静力试验加载方案设计提供有效的数据和方案支持。
2 民用飞机机身荷载的相关分析
从其他国家先进民用和军用飞机的研制上来看，提高机身荷载水平设计及富裕度强度剩余系数是降低机体结构重量和荷载的主要方式之一。而机体结构必须能够承受规定载荷在一定时间内不破坏。如果结构能够承受要求的荷载程度，则在使用荷载和设计载荷之间产生结构失稳是可以接受的[2]。
举例说明：西方某一先进国家生产民用飞机，为了提高飞机的综合性能，减少飞机事故概率、减少飞机整体重量，召集诸多高科技人才并投入大量资金进行全机静力试验机身加载方案研究。该公司的试验飞机在试飞过程中多次出现机体解体的情况。试验后期通过制定合适的载荷目标来合理设计机身结构，满足飞机在飞行中能承载的最大限度。通过几次全机静力试验的检验，对机身薄弱处进行设计改进增强。最后该机型成为世界上最先进最经典的飞机，也成为其他国家飞机研制的优秀典范，由此可见全机静力试验机身加载方案研究的重要性。
据研究，民用飞机的机身荷载分为两种，即惯性荷载和气动荷载。在众多惯性和在中，主要的荷载是客载和货载。客载和货载主要是在地板上，通过地板再传递到机身结构上。
3 方案简介与有限元内力对比
民用飞机的受载情况计算通常利用有限元计算将其施加到模型的节点上，利用模型反映飞机的真实受载情况。对民用飞机的全机静力试验机身加载方案有以下几种[3-4]：
①作者简介：于国庆（1986—），男，吉林临江人，本科，设计员，研究方向：飞机地面强度试验。
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的蒙皮剪流之间的偏差在10%左右，客舱和货舱地板上双层加载方案的偏差在5%左右。另外，分析机身22长桁以下框内力有较大的偏差，主要原因是31长桁位置是地板支柱和框的连接处，客载是通过地板结构传递到机身结构上的，使其附近产生较大弯矩。
3.1 胶布带加载方案简介
胶布带加载的具体方案是利用胶布带通过粘贴的方式承载飞机机身的载荷。但在具体的操作中，为了实验中机身的整洁与实验的易操作性，往往只选择在飞机的机身两侧的位置粘贴胶布带，均匀划分胶布带的分配位置。3.2 客舱地板单层加载方案简介
通过客舱地板单层加载方案是利用机身的杠杆系统将机身各站位的受力施加在客舱地板上，该方案的工作原理如下。在每个飞机机身上设置相同距离的站位，共同设置一组杠杆系统。在机身的加载点位置开一个小孔，然后机身顶部也开一个孔，同样，机身底部位置的框站位也开一个孔。
3.3 客舱以及货舱地板双层加载方案简介
在客舱地板单层加载方案的基础上增添一组位于货舱地板上的杠杆系统，加载方法与上一个方案的加载方法相似。在实验方案操作过程中需要注意以下问题：
要以事实为原则，参照机身数据，按照真实的机身站位的具体载荷制作全机静力试验机身加载方案的模型。另外，为保证数据的准确性，要对机身机构惯性载荷进行平均分配，使每个加载点承受的载荷数量相同。3.4 蒙皮内力对比与框内力对比
在三种加载方案对比下得出蒙皮内力与全机解的偏差在3%以内。胶布带加载方案与客舱地板单层加载方案下
(上接12页)
4 结语
本文着重分析了民用飞机全机静力实验的几种机身加
载方案。分析对比实验结果得出：在众多方案中货舱与客舱地板双层加载的实验方案更真实有效，更有利于模拟出真实的机身载荷情况。将其运用到民用飞机全机静力试验中效果更真实。
参考文献
[1] 薛彩军,谭伟,聂宏.民用飞机全机静力试验机身加载方案研究[J].实验力学,2011(6):735-742.
[2] 王正平,韩鸿源.飞机全机静力试验机身加载方案研究[J].西北工业大学学报,1999(4):9-652.[3] 刘金玉,李军,戴舜.飞机结构静力试验中杠杆系统的载荷配重[J].实验科学与技术,2012(4):30-32.[4] 刘权良,尹伟,夏峰.飞机结构静强度试验支持方案的确定[J].航空科技技术,2012(5):32-35.
器件等诸多方面进入到预研和开发阶段。2.1 自我检测型智能结构
自我检测型智能结构，根据自身结构的状况，可以实时感知自身动态，从而制定应对策略和自我维护。具有自我检测功能的材料结构通常采用复合智能型材料。例如超声波智能材料通过自我检测实验，可以发现受损或疲劳的细小裂缝，自我监测超声波材料的受损或疲劳的程度，对于超声波传感器的运行可靠性意义重大，及时的研发可以提高材料损伤的诊断。2.2 自修复智能材料
飞行材料执行任务的寿命具有一定的期限。维护和检修的费用非常高，高达整个制造材料的50%。飞行器在使用过程中由于复杂环境、高温差和震荡，都会导致复合材料疲劳、受损，存在一定的裂纹。同时如果异物进入了复合材料结构的间隙，就会降低复合材料的效能，影响材料的可靠性。目前，复合材料的损伤修复是一大难题，常用的修复方法并不是很理想。怎么解决材料内部维修的难题，借鉴生物损伤自愈性的启发，我们可以用于智能结构的研究。
音、实现自诊断、自修复等功能前景广阔，对于保障飞行器
安全性具有十分重要的意义。
航空航天飞行器执行的都是复杂环境的任务。面对高温、高压和震荡等复杂环境，在使用的过程中的可靠性尤为重要，而且智能材料的飞行器结构在运行过程中，信号处理的部分已经非常成熟。但是智能系统还需要继续不断地研发，自我修复功能还处于研发过程的实验阶段，需要继续攻关。针对材料和飞行器整体的安全性能的问题，建议未来智能材料的研究，以开发新型的智能材料设计为突破口、研发新型的传感器、控制器实现对于复杂环境问题的补偿。
参考文献
[1] 杨正岩，张佳奇，高东岳，等.航空航天智能材料与智能结构研究进展[J].航空制造技术，2017(17).[2] 余海湖，赵愚，姜德生.智能材料与结构的研究及应用[J].武汉理工大学学报，2001(11).[3] 熊克.南京航空航天大学“智能材料与结构航空科技重点实验室”简介[J].南京航空航天大学学报，2000(1).[4] 陈绍杰，朱珊.智能材料与结构的发展研究[J].材料工程，1994(5).
3 智能材料研究中存在的问题和发展建议
智能材料是未来航空航天材料研究的热点课题，发展
和应用前景非常广阔。未来的研发中存在的问题也很多，譬如智能材料实现复活化，排异性就会增大，同时，复合材料的加工技术工艺也面临许多难题。如何提升材料的力学性能，如何应对航天空航天领域的复杂环境，这些问题都是智能材料研发过程中需要突破的难题。
智能材料是一种新型的科学应用，在信号技术、传感技术、驱动技术、微电子技术等多个领域需要协作推进，联合攻关。但是难度也不是特别大，智能结构对于降低噪
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