飞机油箱下壁板负压加载技术研究与应用

杨鹏飞，付梦思，夏 峰

（1.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；2.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

在飞机结构静力试验中，包括GJB 67.9A—2008《军用飞机结构强度规范 第9部分：地面试验》以及CCAR-23-R3《正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定》，都要求飞机油箱必须能够承受运行中可能遇到的惯性、油液及结构的载荷而不损坏，并对每个油箱必须能够承受的压力做出具体规定。由于高空中大气压低于地面，通常情况下飞机油箱内部压力大于外部，在充压试验中，油箱下壁板主要承受正的气密载荷。通常的试验方法为：在油箱中注入一定水量，然后通过气泵对油箱充压，对油箱壁板的静强度进行考核[1]。

某型飞机由于其自身气动结构的原因，其机身油箱充压试验工况3中油箱下壁板载荷为-120kPa。现有的试验方法以及设备不具备这样的加载能力。由于油箱内部无法进行负压力加载，试验时只能将油箱下壁板的内部负压转化成外部施加的均布载荷。

1  总体方案设计

对于试验件表面的均布载荷，通常采用等效处理的方法，对表面拉向载荷利用胶布带杠杆系统施加集中载荷，对于压载采用木块进行施加。均布载荷等效成集中载荷施加必然偏离试验件的实际受载情况，而木块加载则由于木块修形后不能保证与试验件表面完全贴合，从而导致试验件表面受力不均，影响试验加载结果的真实性。

传统的加载方法均需要液压作动筒来施加载荷，由于考核部位油箱下壁板为进气道上表面，而本次试验机进气道结构复杂，进气道前端还有“喉结”结构，受进气道的空间限制，无法安装作动筒、杠杆等加载设备。为解决试验中加载难题，需要进行气囊加载技术的研究。

总体思路是：采用邵氏硬度为70的橡胶为原材料，结合考核部件的外形结构，设计成长方体外形的气囊，并根据考核部件所在的位置、空间的局限性，设计专用的气囊支托结构，作为气囊的外部约束及承载平台。在进气道内将整个外部约束组装后与气囊成为一个整体来对试验件进行加载，进气道地板作为承载基础。

2  气囊设计

通常气囊按试验件表面形状设计，试验时用气囊夹具进行固定，依靠充气膨胀，与试验件表面贴合。

本次试验载荷大，进气道结构复杂，如果按常规方法依据进气道形状设计气囊，会给气囊设计带来很大困难，同时在使用时会有一些缺陷。如气囊体积大，试验时充气量大，有安全隐患；气囊固定、保形困难，试验时很难实现与考核部位表面完全贴合，影响加载精度[2-5]。

针对上述问题，本次试验的气囊设计采取了新的思路。

（1）依照考核部位表面形状和面积，将气囊设计为长方形，设计、加工简便。

（2）气囊周边用布包边，气囊高度为50mm，以减少气囊体积、保证试验安全。

（3）设计专用的气囊支托结构，约束气囊的形状，在试验时保证气囊与考核部位表面完全贴合，并作为气囊加载的承载平台。

根据考核部件试验的具体要求，提出了气囊的技术指标。

（1）规格尺寸：1515mm×600mm×50mm。

（2）橡胶材料厚度：2.5～4mm。

（3）橡胶材料硬度：70（邵氏硬度）。

（4）承载能力：1个压力（无约束），1.5个压力（有外部约束）。

根据技术指标设计出气囊示意图并投产，如图1、图2所示。

图1 气囊设计图

图2 气囊实物图

3  气囊夹具设计

本次试验的气囊夹具有2个作用，一方面要约束和保持气囊外形，另一方面为气囊加载平台，而本次试验机进气道结构复杂，进气道前端还有“喉结”结构，这给夹具设计安装带来很大困难。

针对上述问题，本次试验的气囊夹具设计采取了新的思路：依据进气道三维数模，考虑到现场安装难度，采用搭积木的方式，利用木块分段、分层做成盒式结构。

盒式结构分为5段3层：第1层放置气囊，约束气囊外形，保证与进气道上表面贴合；第3层放在进气道下表面，与表面贴合，作为承载基础；中间层由楔形木块组成，用于调节夹具高度，传递载荷。

整个夹具放置于进气道内，由70余块木块组装而成。安装时，从里到外、分段分层，依次安装木块，外部由拉杆、杠杆、螺栓等固定成一个整体。具体情况见图3～图6。

图3 气囊夹具设计图

图4 夹具安装示意

图5 夹具安装示意

图6 夹具安装实物图

4  气囊传载标定

在试验前，对气囊传载进行了标定。标定过程：设计专用盒段将气囊放入其内，将盒段与地面进行固定，并安装传感器测量载荷，对气囊进行充气。以气囊充压点为主动加载点，载荷约束点为监视点。根据使用载荷，设定以20kPa为一级进行加载，并对载荷反馈数据进行回收分析。

由于气囊四周有一圈加布区，变形量很小，在对其进行充气时，这个区域会吸收一部分能量，导致在高载时传递出来的载荷小于理论计算的载荷值，对气囊的传载性能分析时应予以考虑，图7为气囊标定示意图。

通过对标定数据进行分析，实加载荷与理论载荷误差为1.2%，满足试验要求。

图7 气囊标定示意图

5  结论

本文所设计的气囊结构加载方法成功应用于某型飞机油箱下壁板负压试验，试验结果与理论分析结果相吻合。