新型組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力試驗(yàn)方法

田振宇+翟曉+李強(qiáng)+姜文英

摘 要：主要介紹了組合試驗(yàn)件復(fù)合載荷試驗(yàn)方法及其啟示。這種方法不僅實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證復(fù)合載荷之間對(duì)試驗(yàn)件強(qiáng)度的交叉影響和產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強(qiáng)度的交叉影響，提高了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)載荷和邊界條件模擬的真實(shí)性，同時(shí)，還調(diào)用整合了多個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)系統(tǒng)協(xié)同工作，并解決了多系統(tǒng)工作的時(shí)序控制難題，推動(dòng)了靜力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的系統(tǒng)化、集成化，在很大程度上縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本。

關(guān)鍵詞：組合試驗(yàn)件；水壓聯(lián)合；協(xié)同試驗(yàn)；內(nèi)壓加載

中圖分類號(hào)：V435+.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.018

文章編號(hào)：2095-6835（2016）20-0018-02

在研制火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，為了判斷發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能，估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的承載能力，確定發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)使用要求的符合程度，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式的合理性和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的正確性，必須用一系列試驗(yàn)的方法模擬載荷和邊界條件，觀察和研究火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、應(yīng)力和變形分布情況。而應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)主要包括軸拉試驗(yàn)、軸壓試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、彎剪聯(lián)合試驗(yàn)、外壓試驗(yàn)和內(nèi)壓試驗(yàn)等。

在載荷和邊界條件模擬方面，單一試驗(yàn)件單項(xiàng)靜力載荷試驗(yàn)有天然的缺陷，其在使用經(jīng)典力學(xué)計(jì)算試驗(yàn)載荷時(shí)，一般會(huì)采用多種簡(jiǎn)化和假設(shè)、盡量減少未知量的方法。這種方法很難滿足載荷和邊界條件與真實(shí)飛行情況基本一致的試驗(yàn)要求。為了提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)載荷和邊界條件模擬的真實(shí)性，提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)的集成化和系統(tǒng)化，本文提出了一種采用組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)時(shí)，可同時(shí)調(diào)取其他彈體部件，比如艙段、尾翼等組成組合試驗(yàn)件進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷可復(fù)合多類型試驗(yàn)載荷，比如外載荷、內(nèi)壓和外壓等，試驗(yàn)效率和試驗(yàn)指導(dǎo)性均有很大的提高。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和原理

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

并行式試驗(yàn)加載系統(tǒng)主要包括多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，內(nèi)、外壓加載系統(tǒng)，各子系統(tǒng)彼此獨(dú)立，試驗(yàn)時(shí)并行控制。

1.1.1 多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)

多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)是一套由計(jì)算機(jī)控制的多缸電液比例伺服系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過控制電路啟動(dòng)液壓系統(tǒng)電機(jī)向系統(tǒng)加壓，通過閥體控制每個(gè)通道上的作動(dòng)筒動(dòng)作，施加載荷至試件上。每個(gè)通道的加載狀態(tài)由力傳感器測(cè)量，并反饋給計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1.1.2 內(nèi)、外壓加載系統(tǒng)

在結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)中，在無(wú)特殊要求的一般性內(nèi)、外壓試驗(yàn)中，均以水為加載介質(zhì)，其他介質(zhì)有油、氣等。由于要求的工作壓力和流量差別比較大，對(duì)水壓加載設(shè)備的要求也不同，所以，水壓加載系統(tǒng)一般由加壓水泵、操作臺(tái)和排水泵組成。

1.2 試驗(yàn)原理和方法

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)采用的是一種新型的復(fù)合型試驗(yàn)思路，將原有結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)采用的以單個(gè)試驗(yàn)件單項(xiàng)靜力載荷試驗(yàn)為基本試驗(yàn)單元的試驗(yàn)方法擴(kuò)展至以組合試驗(yàn)件復(fù)合載荷試驗(yàn)為基本試驗(yàn)單元進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將原有分離的單獨(dú)試驗(yàn)件按總裝要求組裝成試驗(yàn)組件，并按加載時(shí)序要求并行施加復(fù)合載荷。復(fù)合載荷可由外載荷、內(nèi)外壓載荷組合，復(fù)合載荷由單獨(dú)試驗(yàn)加載子系統(tǒng)并行控制。

試驗(yàn)時(shí)，固定工裝為試驗(yàn)組件提供可靠的承力基礎(chǔ)和加載空間，試驗(yàn)組件各組成件分別由水壓系統(tǒng)控制加載內(nèi)外壓載荷，由多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)控制經(jīng)邊界模擬工裝控制加載外載荷。2個(gè)加載系統(tǒng)同時(shí)加載，同時(shí)到達(dá)目標(biāo)載荷。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由多參量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)一采集并記錄、分析。

2 組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝配

殼體前接頭與前堵蓋裝配，后接頭與后堵蓋裝配，在過渡段內(nèi)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，在既定位置安裝過渡段固定工裝，并在固定工裝上安裝過渡段和裝配體，用于連接注水管和各類傳感器。同時(shí)，還要安裝軸壓試驗(yàn)工裝和消除自重工裝，連接液壓系統(tǒng)并調(diào)試。試驗(yàn)裝配如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

在發(fā)動(dòng)機(jī)和過渡架上布置應(yīng)變，本文采用20個(gè)單向應(yīng)變分析產(chǎn)品受載狀態(tài)。具體的應(yīng)變片原理是，受載時(shí)內(nèi)部電阻絲產(chǎn)生不同電阻，通過變化來(lái)測(cè)試應(yīng)變值的變化。

2.3 試驗(yàn)加載

在殼體小端進(jìn)水并打壓，在殼體大端加載軸向載荷，按照載荷要求加載。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，聯(lián)合試驗(yàn)的試驗(yàn)件沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象，也沒有發(fā)出聲響。試驗(yàn)結(jié)束后，卸載檢查試驗(yàn)件外觀無(wú)異常，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)應(yīng)變趨勢(shì)如圖2所示。

從表1所示的應(yīng)變數(shù)據(jù)中可以看出，隨著載荷的增大，應(yīng)變數(shù)據(jù)也相應(yīng)增大，但是，最大應(yīng)變未超過3 000 με，理論上復(fù)合材料20 000 με破壞，所以，發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能穩(wěn)定，加載均勻性比較好。

3 結(jié)論

目前，該試驗(yàn)方法在試驗(yàn)室內(nèi)的應(yīng)用尚屬于初步應(yīng)用階段，僅限于兩件產(chǎn)品組合和2種載荷復(fù)合，未來(lái)可向多件產(chǎn)品組合

和多種載荷復(fù)合的方向發(fā)展，發(fā)展的動(dòng)力和需求旺盛。綜上所述，本文提出的新型組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法具有很好的應(yīng)用前景。在日后的工作中，要主要注意以下幾點(diǎn)：①現(xiàn)今，傳統(tǒng)單向試驗(yàn)無(wú)法滿足日益進(jìn)步的考核要求，需加大對(duì)復(fù)合載荷的投入和研究；②復(fù)合載荷更加貼近產(chǎn)品實(shí)際受載情況，其結(jié)果具有重要的參考意義；③復(fù)合載荷試驗(yàn)方法具有很強(qiáng)的適用性，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)必然是多種載荷聯(lián)合作用；④復(fù)合載荷試驗(yàn)可減少試驗(yàn)項(xiàng)目，更加精確的驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的承載能力。

4 試驗(yàn)啟示

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合載荷之間、對(duì)試驗(yàn)件強(qiáng)度的交叉影響和產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強(qiáng)度的交叉影響的考核。本文提出的試驗(yàn)方法打破了以往驗(yàn)證性試驗(yàn)的傳統(tǒng)格局，以往靜力載荷試驗(yàn)只能進(jìn)行單件單載荷因子驗(yàn)證，無(wú)法考核產(chǎn)品與產(chǎn)品之間、各載荷之間對(duì)試驗(yàn)件強(qiáng)度的交叉影響，組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法不僅實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證復(fù)合載荷之間對(duì)試驗(yàn)件強(qiáng)度的交叉影響，還實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證產(chǎn)品與產(chǎn)品之間強(qiáng)度的交叉影響，對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)和改進(jìn)有更加重要的指導(dǎo)意義。

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法的試驗(yàn)載荷和邊界條件更接近產(chǎn)品的真實(shí)工作情況。以往的試驗(yàn)載荷和邊界條件經(jīng)過一系列的簡(jiǎn)化后，產(chǎn)品的試驗(yàn)狀態(tài)與產(chǎn)品真實(shí)工作狀態(tài)有不可忽視的差異，組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法可以盡可能地復(fù)原以往試驗(yàn)中被簡(jiǎn)化的試驗(yàn)載荷和邊界條件，試驗(yàn)的模擬度更高、指導(dǎo)性更強(qiáng)。

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法系統(tǒng)化、集成化更高。它不同于以往常規(guī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)，組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法采用了多系統(tǒng)并行協(xié)同工作，解決了多系統(tǒng)工作的時(shí)序控制難題，大力推動(dòng)靜力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)向更高的系統(tǒng)化、集成化邁進(jìn)。

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法大大降低了試驗(yàn)成本。以往對(duì)單個(gè)試驗(yàn)件要分別進(jìn)行多項(xiàng)單載荷靜力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)才能達(dá)到考核目標(biāo)，而本文提出的試驗(yàn)方法可以在一次試驗(yàn)中同時(shí)完成組合產(chǎn)品在多種載荷下的考核，在實(shí)現(xiàn)考核目標(biāo)的同時(shí)試驗(yàn)量大為減少，極大地壓縮了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本。

組合試驗(yàn)件復(fù)合靜力載荷試驗(yàn)方法屬于新型的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)集成度高、系統(tǒng)性強(qiáng)。該類試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)領(lǐng)域?qū)儆诩夹g(shù)集約型試驗(yàn)項(xiàng)目，多種載荷復(fù)合試驗(yàn)難度大，試驗(yàn)時(shí)，必須考慮到載荷之間的干涉和約束情況。這種試驗(yàn)方式主要驗(yàn)證了多種載荷互相作用下的殼體承載能力，更加貼近殼體實(shí)際受載情況，可測(cè)得多種載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。

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