浮空器典型连接部件蝴蝶结拉伸试验设计研究

李习习

（中国特种飞行器研究所，湖北 荆门448035）

1 概述

浮空器是指密度轻于空气的飞行器，是系留气球和飞艇的统称[1]。它主要依靠装有轻质气体的囊体在空气中产生的浮力克服其自身重量以实现留空工作[2]，浮空器结构如图1 所示，属于航空器的范畴，它是人类社会研发和使用最早的一种飞行器，它的研发和使用已经有160 年左右的历史。浮空器包含系留气球和飞艇两类，系留气球可在数千米的高度实现全天候、长时间定点停留，具有安全性好、留空时间长、雷达散射截面小、研制成本低、安全性好、使用效费比高等诸多优点。飞艇内部一般装有动力装置，可以遥控或自动控制下自主飞行[3]，具有续航时间长、载重量大、使用成本低、使用维护方便、起降场地要求低、绿色环保等优点，可通过搭载不同的任务载荷，广泛应用于军民用领域。

浮空器上一般搭载有任务设备，囊体与其他任务设备主要是通过系留索具连接，而系留索具与囊体的连接方式主要是以蝴蝶结的形式，如图2 所示，故蝴蝶结承受了较大载荷，对蝴蝶结开展拉伸强度试验很有必要。

图1 浮空器结构

2 试验过程设计

2.1 试验件制备

图2 典型蝴蝶结结构示意图

承力条为蝴蝶结主要承载结构，承力条的承载能力一定程度上可以反映蝴蝶结的承载能力，但由于蝴蝶结是由多根承力条组合而成，单个承力条试验不能验证多根承力条组合后的承载能力，因此蝴蝶结强度试验应选用整体蝴蝶结作为试验件进行。

由于蝴蝶结在浮空器结构中均是热合粘接在囊体上，即为软式连接，若试验时直接将蝴蝶结固定于刚性的夹具上，则边界条件模拟缺乏准确性，会严重影响试验结果的准确性。为准确模拟试验时蝴蝶结的边界条件，将两种试验件均设计成带有一段过渡区的结构形式，即蝴蝶结试验件均带有一定大小的基布。同时由于基布为软式结构，试验时要先将基布张紧，其张紧力安照浮空器上真实张紧力进行控制。这样使得试验时蝴蝶结的边界条件与真实结构更加相近。综上考虑，蝴蝶结的试验件设计成带预应力基布的结构形式，如图3 所示。

2.2 试验加载方式

试验加载常用的方式有手拉葫芦及作动缸。由于典型连接件通常要以恒定速率加载，而手拉葫芦是手工拉动，难以满足恒定速度，并且人工操作葫芦加载，大载荷时加载费力，破坏时有一定安全隐患，需额外配置载荷采集设备，故蝴蝶结加载采用作动缸。作动缸加载具有能够实现程序控制，加载速率可调且精度较高，可自动记录加载载荷的优点。

图3 蝴蝶结试验件结构示意图

2.3 试验安装方式

试验安装采用可调基布式自动张紧试验平台，平台结构示意图见图4。该平台可以实现蝴蝶结的自动定量张紧、按要求自动加载并采集。

试验时将基布四边插入T 型卡槽中，然后用铝管穿过基布拉坏内将试验件固定。采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动T 型卡槽对试验件进行张紧，通过连接在伺服电机前的扭矩传感器来控制基布张紧力。

图4 试验安装平台示意图

2.4 试验步骤

按照试验原理图装好试验件，并调节四周夹具将试验件初步张紧，同时调试好仪表；调节张紧力大小，用作动缸以100mm/min 匀速给试验件加载至破坏，读取并记录破坏载荷，观察并记录破坏形式。

3 结论

本文系统阐述了蝴蝶结拉伸试验设计，蝴蝶结试验件设计成带预应力基布的结构形式，通过可调基布式张紧平台安装试验件，并采用作动缸进行加载。整个试验过程高度自动化，且不受场地条件限制，极大提高了典型部件连接试验的试验精度与效率。拉伸强度试验数据主要用于为强度分析和结构设计提供依据。