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潘维灵 吴燕斌
摘？要：基于某运输类飞机运输包装箱的研制需要，提出运输包装箱系留强度试验方案，首先根据运输包装箱系留方式进行强度校核，确定系留方式，通过有限元分析选取试验载荷及测点位置，详细优化加载及测试方法，并开展试验研究。经系留强度试验及地面实际装卸验证，结果表明此试验方案科学合理，加载误差可控制在0.1%范围内，达到了验证包装箱系留强度是否满足设计和使用需求的目的。
关键词：空中运输；
包装箱；
系留强度；
静力试验；
试验方案
引言
采用空中运输已成为现代社会最为便利、快捷的运输方式之一，空中运输可以大大缩短运输时间，受外部环境约束也较小，在产品空中运输过程中，包装箱需承受冲击过载，包装箱的系留强度影响运输产品安全性和可靠性[1]。
某运输类飞机共设计三种包装箱，包装箱系固在货盘上，与货盘整体装载至机舱，系固后进行空运。
三种包装箱采用相同的系固方式，为考核包装箱系留强度，确保包装箱运输安全性，对其中重量最大的包装箱进行系留强度静力试验研究，对此类运输包装箱系留方式及运输安全性优化具有重要指导意义。
1 包装箱系留方式
1.1 系留优化
包装箱初步系留方案：包装箱上布置4个系留环，包装箱通过系留环直接系留固定在货盘上，系留钢索穿过包装箱上自带的系留环与货盘上周圈系留点连接。
根据系固能力评估要求，空运时的过载强度按Ⅱ级限动评估。根据运输货物需求，加大航向过载考虑。
经有限元计算：
最大系留绳索载荷F为4348.01kg。
单个系留绳索许用最大载荷[F]为2500kg；
货盘系留点最大许用载荷[F]为3300kg。
按照此系留环布置方案，系留绑带及货盘上系留点的强度不够。
通过分析，对系留方案进行了优化：在重心高度以下增加一圈系留环，如图1所示。
1.2 包装箱系留强度评估
包装箱通过上下两排共8个系留环，用16根系留绳索与货盘系固连接。
建立有限元模型，将包装箱简化为实体单元，系留绳索建立成杆元模拟，受压一侧绳索给一个虚属性面积为0.01mm2。载荷施加在重心平面处。通过约束系留绳索与货盘连接处节点x、y、z三个方向线位移，模拟绳索与货盘的连接。通过约束包装箱底部节点y方向线位移，模拟货盘对包装箱的支持约束。
包装箱载荷F为667028N，改进后有限元模型如图2。
改进后有限元计算结果如下：
最大系留绳索载荷F为2472.5kg。
单个系留绳索许用最大载荷[F]为2500kg；
货盘系留点最大许用载荷[F]为3300kg。
则按式1计算出单个系留绳索的剩余强度η为1.01。
1.3 货盘局部受压强度评估
2 试验方案
2.1 试验载荷选取
根据任务要求，试验选取包装箱系留严重情况（向前过载、侧向过载）进行试验。
向前过载、侧向过载试验载荷施加在包装箱模拟件各方向载荷的加载接头上，合力力线通过重心处。试验载荷如表1所示。
2.2 加载夹具设计
试验件支持状态采用试验夹具来支持，试验夹具真实模拟货盘位置约束[2]，用系留钢索将包装箱模拟件系留至货盘上后，对系留钢索进行预紧，然后通过8个限位块和16个压板将货盘固定至模拟支持夹具上。
2.3 测点布置
通过有限元分析选取受力较大部位进行应变测试，共布置6个单片，4个花片。系留环、钢索接头结构顺结构轴向贴片（单片），花片按逆时针0°、45°、90°方向贴片，0°片平行于X轴或Z轴。位移测量点共布置2个。
2.4 试验方法
2.4.1 加载实施
a）项目1试验安装及加载实施
项目1的载荷方向为钢索轴向，受载形式为拉向载荷。将试验用钢索通过专用接头安装至固定夹具上，固定夹具用地脚螺栓固定至承力地轨上，在承力架上部安装加载作动器，保证加载作动器加载轴线与钢索轴向在同一直线上，作动器端部连接调节螺套、力传感器，由作动器收缩来施加载荷。
b）项目2试验安装及加载实施
项目2的载荷方向为Z轴正向（即侧向过载），受载形式为拉向载荷。将试验夹具安装固定至承力地轨上，在包装箱模拟件加载重心处安装Z轴正向加载接头，然后连接加载螺套、力传感器、作动器后，由作动器收缩来施加试验载荷，作动器通过加载梁和作动器固定板固定至承力墙上。
c）项目3试验安装及加载实施
项目3的载荷方向为X轴正向（即向前过载），受载形式为拉向载荷。将试验夹具安装固定至承力地轨上，在包装箱模拟件加载重心处安装X轴正向加载接头，然后连接加载螺套、力传感器、作动器后，由作动器收缩来施加试验载荷。
2.4.2 测试测量方法
此項试验测试工作主要包括：应变测试和位移测试。
应变测试：采用电测法，在测点位置粘贴应变片，通过粘贴温度补偿片消除温度效应；
位移测试：采用拉线式位移传感器法，在各位移测量点处固定位移测量专用装置并连接拉线式位移传感器，通过监测位移传感器伸缩量，实现位移测量。
2.4.3 加载系统选取
加载试验设备选用MOOG多通道伺服协调加载系统。此系统为全数字闭环控制系统，最大闭环迭代速率2.5kHz。每个控制通道与一个加载执行机构相连，SMC处理器以2.5kHz的频率运行MOOG专利力回路模型的迭代计算，以控制液压伺服作动器的控制信号，最终实现对液压伺服作动器的精确控制，可保证系统的最大安全性。系统还设计有前端滤波的PIDF调节，具有良好的稳定裕度。
系统自诊断和故障诊断功能可提供故障代码，给出基本原因提示，同时能自动停止试验或执行其它脚本定义动作，可检测传感器工作状态，如发现传感器异常，自动报警、自动触发保护。系统还配备一个应急停按钮，可以紧急切断当前试验的液压子站，以保护试验安全。
系统可随时调整PID参数、伺服阀控制参数[3]，控制器力控通道能自动补偿因长导线电阻引起的桥路激励电压压降，有效控制系统加载精度。
2.4.4 测试系统选取
通过对试验任务书中测试需求分析，本次应变和位移测量设备选用DH3820高速静态应变（位移）测试系统，采样率采用100 Hz，能测出结构对模拟的试验载荷和环境条件的响应，系统能实时给出试验数据的读数和曲线。
系统主要由高速静态应变（位移）测试分析仪、应变计（位移传感器）、工业级千兆交换机、工控计算机组成。测试时，应变片（位移传感器）感受到测量信号，经测试分析仪对信号调理放大并进行滤波处理，然后由工业控制计算机对数据进行采集并储存，该测试系统自带通道自检功能，可进行现场多点快速巡回自检，对各通道应变片工作状态进行检查 ，对连接不正常的通道报警提示，系统硬件还设计有自动调零功能，调零后不影响系统的测量量程；
系统可根据桥路类型、导线电阻等自动完成对测量结果的修正，保证了测量精度。
2.5 试验
通过调节加载系统PID参数，调整作动器响应、载荷跟随情况，直到满足试验要求。应变系统连接完毕后进行各通道参数设置并进行通道自检，排除故障点后进入加载控制系统与测试系统联调步骤，通过调节静踏步时间限、报警上下限等参数，以达到安全控制、实时同步采集、准确记录的效果，满足试验所需后进行后续试验。
按国军标及试验要求中的试验顺序，分别完成了项目1单套钢索承载能力试验、项目2侧向过载的100%设计载荷试验和项目3向前过载的100%设计载荷试验。其中，项目2和项目3试验，对应每一级加载均进行了应变、位移数据采集。
3 试验结果及分析
项目1试验加载至100%设计载荷时，加载系统正常，试验数据稳定，按加载步长继续加载至170%设计载荷时，试验用系留钢索断裂，试验中止。经现场检查：试验用系留钢索在调节夹紧装置处出现断裂及断丝。
项目2和项目3试验均加载至100%设计载荷，经现场检查：包装箱模拟件、货盘及16根系留钢索均未出现肉眼可见的变形及局部破坏。
经试验数据分析，试验加载误差均不超过0.1%，所有测点应力均小于材料的屈服极限，包装箱系留强度试验结果满足GJB 67.9—1985的相关要求。
后经包装箱实际地面装卸试验验证，其系留强度满足设计需求。
4 结论
本文立足于某運输类飞机运输包装箱系留设计要求及系留特点，确定了包装箱系留强度试验方案，该方案充分考虑了加载和测试方法设计，通过系留强度试验结果及地面实际装卸试验，验证了该系留方式安全可靠，符合实际使用要求，为该类运输包装箱安全运输提供了保障。
参考文献
[1]王伟，常新龙等.基于应力-强度模型某包装箱结构强度分析[J].装备制造技术，2019（10）：27-30，61.
[2]GJB 67.9A-2008.军用飞机结构强度规范 第9部分：地面试验[S].北京：中国人民解放军空军，2008.
[3]张永兴，赵洪伟.电液伺服阀和非对称液压缸匹配特性的试验研究[J].工程与试验，2016，56（2）：13-16.
（作者单位：陕西飞机工业有限责任公司）
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