二力杆件结构载荷测试地面标定方法

杜晓坤，刘克格，刘彦鹏，段垚奇

(北京飞机强度研究所，北京 100083)

1 引 言

飞机结构中有许多只受同一轴线拉压载荷作用的结构，即二力杆件结构，如飞机操纵杆件、活动舵面控制作动筒等[1，2]。获得这些二力杆件结构在飞机实际飞行过程中的载荷，对飞机疲劳寿命研究具有非常重要的意义[3，4]。

为获得二力杆件结构的实际使用载荷，通常采用应变法进行测试，而载荷地面标定试验设计是否合理会直接影响所测载荷的准确度[5-7]。文献[8]介绍了美国航空航天局(NASA)在实验室进行载荷测试的应变片粘贴和载荷地面标定技术。文献[9]设计了起落架载荷测试的应变片粘贴和标定试验方案，并研究了起落架标定试验数据处理技术。文献[10]探讨了有起落架布置的双三角翼的载荷测试技术，利用全机自平衡原理，对其外场载荷地面标定技术进行了研究。针对外场载荷测试试验具有场地不固定且基础设施不完善的特点，本文提出一种二力杆件结构载荷测试地面标定方法，以应对外场条件下不同类型二力杆件结构载荷测试地面标定试验。

2 地面标定试验装置设计

在无承力设施的外场环境，对二力杆件结构准确施加沿其轴线的载荷是地面标定试验的关键。对于需施加较大载荷的情况，这基本无法进行。为了解决上述问题，本文利用杠杆原理，设计了一种可移动式的二力杆件结构载荷测试地面标定试验装置。该试验装置的理论模型如图1所示，根据式(1)可得载荷放大系数D。

(1)

式中，D为载荷放大系数；L1为固定铰接点到二力杆件铰接点的距离；L2为加载载荷点到二力杆件铰接点的距离。

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图1 试验装置理论模型

分别在3种杆件模型表面上的长度中心位置取40mm×20mm表面区域作为应变测试区域，计算区域内应变平均值，模拟应变片受力反应。由于这3种杆件模型仅在长度上有差异，区域内应变平均值基本相同，均可取2.02×10-5。

图2 试验装置示意图

实际试验过程中，随着试验件(尤其是具有较高柔性的试验件)受载变形，试验装置的横梁与底座是处在不平行状态的，通过式(3)计算得到的理论计算载荷会存在误差。在试验装置上安装位移传感器，试验时记录位移传感器和加载装置处力传感器的数值，根据式(4)～式(17)可实时计算出试验件承受的理论计算载荷Fl的大小，与通过三向力传感器测量得到的试验件实际承受载荷Fs进行校对，可防止因三向力传感器故障影响试验安全和精度。由于二力杆件结构接头形式多样，部分接头形式很难进行三向力传感器的安装，进行地面标定试验时也可直接采用理论计算载荷Fl代替Fs进行记录。

在试验装置横梁与底座平行的状态下，试验件承受的理论计算载荷Fl可由式(3)计算得到。

在实际加载过程中，加载装置施加的载荷通过杠杆放大施加到试验件上，通过三向力传感器即可得到施加在试验件上的实际载荷，即：

(2)

式中，Fs为试验件实际承受的载荷；Fx为三向力传感器X向载荷；Fy为三向力传感器Y向载荷；Fz为三向力传感器Z向载荷。

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Fl=F0*D

(3)

多数企业将信息技术应用于企业管理，财务会计在使用信息技术的过程中可以提升数据处理效率。这种背景下，企业选择将职能部门进行合并，减少人员使用的同时，提升员工的工作效率。

为方便后文描述，本文中坐标系规定：原点为转动轴轴心，X轴沿底座指向底座尾端为正，Y轴沿底座纵梁指向底座为正，Z轴与XY平面垂直且符合右手定则。

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针对这3种不同长度的杆件，分别建立试验装置模型，简化掉非主要的传力部件，载荷放大系数D为4，其中L1为600mm，L2为1800mm。3种试验装置模型横梁与X轴的角度分别为17.49°、0°、-21.45°。试验装置模型零部件材料弹性模量均设为210GPa，泊松比为0.28。根据各零部件的连接形式设置各自接触类型，在横梁和底座分别与加载装置铰接处施加大小相等、沿加载装置轴线方向相反的载荷，模拟加载装置对试验件施加压向载荷。每种模型设置4种载荷工况，载荷大小分别为5kN、10kN、15kN、20kN。试验装置加载应变分布结果如图4所示。计算出3种试验装置模型在不同载荷工况下杆件应变测试区域的应变平均值，根据式(18)得到杆件所受载荷的有限元仿真结果。有限元计算载荷与理论计算载荷见表1-表3。

3 有限元仿真

参考实际二力杆件尺寸，将试验件简化为直径160mm的杆件，设置3种长度的杆件模型作为算例进行独立分析，其长度分别为1200mm(1#杆件)、1380mm(2#杆件)、1600mm(3#杆件)。杆件材料弹性模量设为210GPa，泊松比为0.28。有限元计算时，固定杆件一端，另一端施加100kN的压向载荷。杆件单独加载应变分布如图3所示。

图3 杆件单独加载应变分布

根据理论模型，设计了二力杆件结构载荷测试地面标定试验装置(如图2所示)。该试验装置主要由底座、底座纵梁、横梁和加载装置等组成。底座上安装有工业脚轮和固定地脚，方便试验装置移动。底座纵梁固定在底座上，横梁与底座纵梁通过转动轴连接。加载装置安装在试验装置尾端，并与横梁和底座以铰接形式连接。加载装置上安装有力传感器，用于记录加载装置施加的载荷。用于记录试验件实际承受载荷的三向力传感器固定在横梁上，位于底座纵梁和加载装置之间，试验件通过铰接形式与底座和三向力传感器连接。试验装置安装有线位移传感器，用于记录横梁与底座之间的距离变化。加载装置施加的载荷和试验件所受载荷均可看作系统的内力，整个系统无外力输入，内力实现自平衡。由于试验件两端均为铰接连接，可保证加载过程中试验件只承受沿其轴线的拉压载荷。

式中，Fl为试验件承受的理论计算载荷；F0为加载装置力传感器的读数；D为载荷放大系数。

其中，(x1,y1)为横梁与底座平行状态下，试验件与三向力传感器铰接点坐标；(x2,y2)为横梁与底座平行状态下，线位移传感器与横梁连接点坐标；(x3,y3)为横梁与底座平行状态下，载荷施加装置与横梁铰接点交点坐标；(x1,y4)为横梁与底座平行状态下，试验件与底座铰接点坐标；(x2,y5)为横梁与底座平行状态下，线位移传感器与底座连接点坐标；(x3,y6)为横梁与底座平行状态下，载荷施加装置与底座铰接点交点坐标；r为位移传感器读数。

诸多研究报道，MRI具备多参数、多序列成像和高软组织分辨力，可提供患者不同影像学参考信号的对比图像，是一种诊断准确性高和无创伤的诊断方式[5]。除此之外，MRI诊断可清晰显示肿瘤病灶的大小、形态及生长方式，对肿瘤淋巴结转移和临床治疗方案选择具有重要作用[6]。本研究通过增强MRI应用于结直肠癌患者的临床诊断，结果发现MRI图像显示42例结直肠癌患者中，结肠癌26例，直肠癌16例；MRI增强扫描病灶明显强化，38例病灶清晰显示，侵及的周围组织或器官与邻近器官间间隙消失，邻近器官与肿块粘连。与诸多学者研究报道相似[7]。

(18)

式中，Fm为杆件所受载荷的有限元仿真结果，单位为kN；εf为试验装置模型仿真时杆件应变测试区域的应变平均值；εd为杆件模型独立仿真时杆件应变测试区域的应变平均值。

由有限元仿真计算载荷与理论计算载荷对比可以看出，理论载荷与有限元计算载荷误差很小，即使在横梁与底座不平行状态下，载荷误差依然保持在2%以内，可以保证柔性二力杆件结构地面标定试验施加载荷的准确性，满足工程测试要求。

(a)试验装置(1#杆件)加载应变分布

(b)试验装置(2#杆件)加载应变分布

(c)试验装置(3#杆件)加载应变分布图4 试验装置加载应变分布

表1 试验装置(1#杆件)载荷计算结果

表2 试验装置(2#杆件)载荷计算结果

表3 试验装置(3#杆件)载荷计算结果

4 结 论

为适应外场环境，设计了一种二力杆件结构载荷测试地面标定试验装置，此装置对柔性二力杆结构受载变形具有较强的适应性。该试验装置可根据位移传感器和加载装置力传感器的记录值得到试验件承受载荷的理论值，可用于校对三向力传感器的记录值，也可在无法安装三向力传感器的情况下，用于记录试验件承受载荷的实际值。

Eliminating φ, derivating Equation(7) to t, then subtituting into Equation(6) to obtain the point C line velocity in the XOY system about EDC slider crank mechanism as follows

建立了不同试验件长度的有限元仿真模型，有限元仿真计算结果与理论计算结果相吻合，结果误差满足工程应用要求。本方法能够对试验件加载载荷进行精确控制，保障载荷施加大小和方向。本方法为外场环境下二力杆件结构载荷测试地面标定试验提供了一种工程测试途径。