直升飞机辅助外挂油箱静强度试验载荷计算方法

姜文英，何晓勃，张茹远，张龙飞

（中国航天科技集团公司第四研究院四〇一所，陕西西安710025）

直升飞机辅助外挂油箱静强度试验载荷计算方法

姜文英，何晓勃，张茹远，张龙飞

（中国航天科技集团公司第四研究院四〇一所，陕西西安710025）

为飞机辅助外挂油箱的分段式静力加载方法提供载荷计算方法，给出了辅助外挂油箱试验载荷计算过程中的载荷简化方法和模型，并以实例展示了整个计算方法和处理过程。所提出的试验载荷计算方法在有限的计算量下较大地提高了试验载荷的计算准确性，能够满足辅助外挂油箱采用分段式加载方法的载荷计算需要，对试验实践过程具有较强的指导意义。

直升飞机；辅助外挂油箱；静强度试验；载荷计算

某直升飞机采用了新式的辅助外挂油箱，有效提高了直升飞机的续航能力，在直升飞机工作过程中，辅助外挂油箱会承受多方向、多特性的载荷。为了考核油箱在实际工作中的力学强度，需对辅助外挂油箱进行地面模拟试验。辅助外挂油箱的静力试验载荷包括气动载荷和设计载荷2部分，气动载荷按截面分段提供，设计载荷以惯性系数的方式给出。

目前，比较先进的辅助外挂油箱静力试验方法为按截面分段加载法，即将所有不同类型的载荷按截面分段求和，在同一加载方向上对各分段试验载荷求局部合力，然后单向加载，实现试验载荷在辅助外挂油箱上的施加。

在常规的载荷计算中，由于油箱球头结构及油箱腔内实际填充率不为100%，分段内的设计载荷计算难度和计算量较大，常规对于试验载荷的计算处理方法比较简单，试验载荷准确性不够高。为了进一步提供更准确的外挂油箱静强度试验载荷，复现辅助外挂油箱的实际工况，本文提出了一种新的高效的外挂油箱静强度载荷计算方法，试验载荷计算结果更为准确可靠，可以满足当前的试验要求。

1 试验件概况

试验目标为辅助外挂油箱，用于贮存并向主油箱输送燃油，增加直升飞机的航程。油箱外形结构和坐标系见图1，主要战术技术指标见表1.

图1 辅助外挂油箱外形结构和坐标系示意图

表1 辅助外挂油箱主要战术技术指标

2 载荷要求

试验载荷包括设计载荷和气动分布载荷2部分。辅助外挂油箱的设计载荷分别为：Fxmax＝-4 g，Fymax＝3 g，Fzmax＝6 g；气动载荷分别见表2.

表2 状态1各段气动分布载荷

3 试验方法概要

辅助外挂油箱采用分段式加载方法，采用帆布带加载方式，以杠杆为简化合成加载力的手段进行辅助外挂油箱的静力试验。

4 载荷计算

由于外挂油箱气动载荷按截面分段给出，为方便加载油箱的设计载荷，按同样的截面分段方法进行计算，计算后将油箱的气动载荷和设计载荷按截面分段叠加，然后根据试验方案进行下一步的试验载荷简化计算。在油箱的分段上，最终的试验载荷为该分段的气动载荷与该分段的设计载荷之和。气动载荷由试验单位给出，分段内设计载荷由油箱分段内燃油及空油箱中段质量产生的设计载荷和油箱分段内零部件质量产生的设计载荷2部分组成。

最终的试验载荷计算步骤如下。

步骤一，油箱分段体积。油箱在各个分段上的体积由旋转体体积公式求出，旋转体的体积公式为：

式（1）中：i为油箱分段号；a，b分别为油箱第i段的上、下边界坐标。

步骤二，燃油及蒙皮的分段质量。为了方便计算和分析，将油箱中的V体积的油（密度为0.775 g/mm3）等效为充满油箱的等效液体，等效液体的密度为0.686 3 g/mm3。燃油及蒙皮在油箱各个分段上的质量计算结果见表3.

表3 燃油及蒙皮分段质量

步骤三，油箱载油分段总质量。油箱载油分段总质量为燃油及蒙皮分段质量与油箱分段内零部件分段质量之和，具体方法为将油箱各零部件的质量按截面坐标向各个分段分配，然后与燃油及蒙皮分段质量求和，得到油箱载油分段总质量。

步骤四，油箱载油设计载荷。辅助外挂油箱的设计载荷为Fxmax＝-4 g，Fymax＝3 g和Fzmax＝6 g，根据油箱载油分段总质量计算出油箱载油设计载荷，见表4.

表4 油箱载油设计载荷

步骤五，油箱试验载荷。试验载荷为气动载荷与X向设计载荷之和，计算结果见表5.

表5 状态1试验载荷

5 创新点

辅助外挂油箱静强度试验计算方法创新点为：①以往油箱蒙皮设计载荷计算是将油箱蒙皮设计载荷按照分段长度分配到各截面，本文利用积分方法精确计算油箱蒙皮在各分段上的设计载荷，相较常规计算方法提高了设计载荷计算的准确性。②以往计算燃油设计载荷的方法是将V体积燃油设计载荷按分段长度分配在各分段上，对部分型号油箱球头分段长度进行系数修正，修正系数为2/3.本文的计算方法为将V体积燃油等效为充满油箱的等效液体（燃油实际填充率88.56%），等效原则为等质量原则，等效完成后用积分的方法精确计算燃油等效液体在油箱各分段上的设计载荷。相较以往，本文的燃油设计载荷计算方法准确性有较大提高，在保证较高准确性的前提下也考虑了计算量的控制。

6 结论

辅助外挂油箱静强度试验方法复杂，试验载荷计算难度和计算量较大。本文提出的试验载荷计算方法在有限的计算量下较大地提高了试验载荷的计算准确性，能够满足辅助外挂油箱采用分段式加载方法的载荷计算需要，并且对试验实践过程具有较强的指导意义。

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［3］许广海，赵保平.均匀设计在飞行器静力试验中的应用［G］//2007均匀试验设计学术交流会论文集，2007.

〔编辑：刘晓芳〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.074

2095-6835（2017）15-0074-02