引言
随着中国航空事业及航空装备的飞速发展，飞机结构强度验证试验越来越被重视，成为新型号研制过程中不可或缺的一部位。随着航空产业的发展，飞行安全问题一直是航空界关心的问题。由于强度试验的重要性，航空飞行器结构在使用前必须进行结构强度验证试验。飞机结构强度验证试验，是将飞机地面及飞行过程中机体所承受的气动载荷、惯性载荷等以地面试验的形式施加到飞机结构上，用来验证飞机结构承受上述载荷的能力，保证飞机飞行的安全性。飞机结构部件包括机翼盒段、平尾盒段、垂尾盒段等外蒙皮近似平面的结构部件，以及机身筒段、发动机短舱等小曲率弧形曲面蒙皮结构，针对上述两种结构部件的结构强度试验加载技术已经相对成熟。但飞机结构部件中还有比如机翼前缘、缝翼、整流罩等大曲率弧形曲面蒙皮结构，针对此类结构外形的结构强度试验加载技术研究较少，目前还没有相对成熟的加载方案。
1试验技术方案
飞机座舱盖实际受载情况比较复杂，但其外载分布也有规律，主要有以下几个特点：（1）节点载荷方向沿该节点处曲面法线方向。（2）各节点的载荷大小和方向各不相同。（3）区域划分及节点分布较规律，均匀连续。（4）相邻节点间的载荷大小、方向相近，随节点变化均匀，很少出现突变的情况。鉴于飞机曲面结构载荷的以上特点，可以对节点及其载荷进行分区、合并和近似处理。首先需要将座舱盖曲面法向载荷进行分区，然后通过空间力的矢量叠加、坐标转换、求解拟合平面等方法实现载荷的等效处理与合并，得到试验施加载荷，并按照飞机强度试验流程、试验规范和标准的要求完成强度试验。利用计算机三维设计软件，将座舱盖曲面法向载荷进行分区，通过矢量叠加、坐标转换等方法实现载荷的简化处理，得到试验施加载荷。采用处理后的载荷，通过胶布带辐射杠杆系统、木块杠杆系统等曲面加载方法，顺利完成了试验，并对试验结果进行了分析。
2复杂曲面飞机结构件表面质量问题溯源试件研究
2.1结构件与外形相关的曲面特征重建
飞机结构件设计阶段‚与蒙皮内表面有连接关系的结构件表面通常不单独设计‚而是由相关外形数据决定‚以保证装配协调。该类曲面特征在制造时‚也是根据飞机外形及其结构横线的数据进行加工和检验的‚可达到较高的加工精度。当结构件与外形贴合部分较宽、面积较大时‚相应的外形线是弯曲的‚不能近似为直线‚这时‚结构件表面特征需以已重构的相应外形为基础进行重建。本文采用如下重建方法：首先依据装配协调关系‚获取与之连接的已重构的飞机外形曲面；然后根据结构件的位置‚通过曲面等距操作创建等距面；最后将等距面按结构件表面轮廓裁剪即为所求曲面。而对于飞机整体梁、框、缘条、肋等结构件‚当其与外形贴合部分较窄、外形线较平坦接近于直线时‚通常采用四、五坐标机床的铣刀摆角功能以线接触方式进行加工‚其加工面与水平面夹角呈小角度的连续变化‚称为变斜角类零件。该类零件其外形轮廓表面可采用可展直纹面进行逼近。
2.2试切法
在数控机床领域，试切件常被用来检验机床的加工性能，因其可将机床各项显性的精度与非显性的切削性能融为一体，以最终切削质量为依据，更加贴近机床实际使用情况，故应用广泛。目前常见的试切件有NAS979试件、ISO10791－7试件、NCG2004试件和中国S试件。前3种试件主要用于检验机床精度，S试件在具有精度检测作用的同时，可较好地体现机床五轴联动的加工性能。以上各试件在表面质量问题原因分析方面均无法实现有效溯源。
2.3基于约束的曲面形状修改
飞机外形曲面重建除了在精度、连续性、光顺性方面具有较高要求外‚更重要的是重建曲面需符合设计规律‚以达到飞机的功能性需求。考虑如下两种情况对外形曲面的影响：一是由于制造误差、使用变形等因素‚导致实物样机与原始设计模型的差异‚此外测量误差、拟合误差又会导致重建模型与实物样机的差异‚从而使重建模型与设计模型不符‚需要修改模型以满足设计约束；二是各产品部件之间、产品与工艺装备之间需满足装配协调关系‚通常这种协调关系可转化为特定几何约束下的模型修正问题。对此‚将工装等工程约束抽象为点、线、面约束‚研究了基于最小弯曲能泛函描述的B样条曲面修改问题。对重建曲面施加由工程要求抽象出的单点约束、多点约束、点与法矢约束、曲线约束和曲面约束条件‚运用变分方法求解弯曲能最小的曲面模型‚修改后曲面可精确满足指定约束且具有良好光滑性。
2.4试件设计
通过对机床的结构和机床坐标轴的运动情况进行分析，提出了一种可以辨识机床单轴动态精度的试件，该试件可以实现X、Y、Z、A、B/C轴的单独单向运动，试切后通过分析表面质量薄弱区域，判定零件表面质量问题由哪个机床轴引起，实现原因的准确、快速定位。零件表面质量问题溯源试件如图1所示。
图1表面质量问题溯源试件
X轴试件沿X轴放置在试件下侧，下侧表面用于检测X轴负向运动的振动情况，上侧表面用于检测X轴正向运动的振动情况；Y轴试件沿Y轴放置在试件左侧，左侧表面用于检测Y轴正向运动的振动情况，右侧表面用于检测Y轴负向运动的振动情况；Z轴试件沿X轴放置在试件中央，左侧的倾斜表面用于检测Z轴正向运动的振动情况，右侧的倾斜表面用于检测Z轴负向运动的振动情况，倾斜角度可变；A轴试件沿Y轴放置在试件右侧，左侧表面用于检测A轴正向运动的振动情况，右侧表面用于检测A轴负向运动的振动情况；B、C轴试件沿Z轴放置在试件中央，内侧的倾斜表面用于检测B或C轴负向运动的振动情况，外侧的倾斜表面用于检测B或C轴正向运动的振动情况，倾斜角度可变；试件原点孔用于加工前的原点设定；试件压紧孔用于试件的固定。
结语
通过对大曲率弧形曲面结构加载技术的研究、验证及试验应用，得到以下结论：(1）针对大曲率弧形曲面结构的强度试验加载技术合理可行，满足加载需求。(2）通过试验验证该加载技术载荷传递均匀，载荷分配满足误差要求，疲劳性能、抗拉强度及压载稳定性均满足要求。(3）通过该技术在试验中应用，提高了载荷施加精度，降低了试验风险，有效缩短了试验周期，加快试验进度。
参考文献
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