气囊加载系统的力学分析与设计

气囊加载系统的力学分析与设计

在结构试验或完全尺寸试验中，载荷分布通常用于将载荷等效分配给有限的节点，并使用如图1所示的杠杆系统加载。为了同时对各加载点实施按比例加载,还必须设计复杂的加载控制与协调系统[5―9]。这种方法虽然原理简单,但是试验加载系统庞杂、成本耗费巨大。更重要的是,由于试验条件等诸多因素的限制,试验中采用的加载结点数往往较少。特别是对一些必须施加均布载荷的特殊情况,靠这种等效结点载荷加载的方式,一般很难满足结构试验的要求,而气囊加载系统就恰好具有实施均布加载的优点。国外对气囊加载系统的研究与应用很少,主要是他们需要制作庞大的金属容器来限制气囊,这样不仅降低了试验现象的可观测性,而且增加了试验费用与试验难度,还缩小了气囊加载系统的适用范围。显然,这种带金属容器限制的传统气囊加载系统还有改进的余地。为了利用气囊加载系统的优良加载性能,本文通过建立气囊加载系统力学分析模型,从气囊加载系统的力学特性分析入手,来着重探讨气囊加载系统设计中的关键问题,进而设计一种合理可行且便于工程实现的加载载荷控制律及验证方法,以改进传统的气囊加载系统。1加载面模型的建立如图2所示为一个典型的气囊加载装置,需要在加载面上施加均布法向载荷。其工作原理为:首先将气囊与加载面贴合,然后向气囊内充入气体以产生一定的压力,通过两者的贴合面将气囊内部压力传递到结构上以达到对结构实施均布法向载荷加载的目的,其施加载荷的大小将通过控制气囊内外压差来实现。进行受力分析的目的在于,分析其施加载荷大小的控制律。为了进行分析,可作如下假设:1)气囊织布仅能承受表面张力;2)气囊织布在整个加载面上相互紧贴,且不计相互间的摩擦力;3)气囊织布厚度很小且可忽略其厚度的影响;4)随着气囊充气压力的增加织布材料本身的变形可忽略;5)不考虑气体流动对被加载结构的影响。取与加载面贴合的气囊织布单元为研究对象,构建其力学分析模型,如图3所示。其中,气囊压差大小为p,方向沿囊壁表面外法向;织布张力大小对于给定加载面及充气压力的条件下是其位置坐标(x,y,z)的函数,方向沿囊壁表面切向张拉的方向;限制织布沿加载面运动的支持力,即被加载结构的反作用力,其大小与加载载荷相等,方向沿囊壁表面内法向。对图3中选取的研究对象进行受力分析,得:对式(1)积分,得:其中:t为气囊织布的厚度;S为所研究织布的曲面;s为所研究织布的边界。由式(2)可知,对结构施加的载荷fN不仅与压强p及织布张力fT有关,而且还与加载面的几何特性有关。1)当加载面曲率较小时,可近似认为其为平面,如图4所示。那么,在垂直于加载面方向上,式(2)可简化为:即其中:S为加载面织布的面积;c为加载面织布边界的周长;t为气囊织布的厚度。2)当加载面曲率较大时,此时表面张力将在加载面法向产生不可忽略的分力,如图5所示。那么,在垂直于加载面方向上,式(2)可表示为:其中:t为气囊织布的厚度;S为所研究织布单元的曲面;s为所研究织布单元的边界;ez为z轴正方向上的单位向量。气囊加载装置的载荷大小,需要通过改变充气压力的大小来进行控制。为了便于实际工程应用,就必须要保证fN与p关系是确定的,最好是呈现线性关系,然而当fT在加载面边界上存在时,则fN和p的大小就与fT有关,而fT的变化规律较复杂且确定起来较困难,因而应该在设计中避免在加载面边界上产生fT。为了进一步阐明在气囊加载装置设计中的关键问题,这里选择如图6所示的加载面模型为部分圆柱面。其优点在于,该模型在轴向上加载面曲率较小,而在横截面内曲率较大,这样将便于从一个模型中体现问题的不同方面。显然,取其沿轴向的一小片织布,其受力情况类似于图4所示的情况,故可判定沿轴向(即曲率较小的方向)织布张力对加载载荷不产生影响;相反,在其横截面内进行受力分析,如图7所示。由y向力平衡,得:即:其中:L为部分圆柱面的轴向长度;R为部分圆柱面的半径;t为气囊织布的厚度;fN为对结构施加的载荷。由式(7)可知,对于研究模型其与压强p及织布张力fT有关。这样就似乎只需要控制住织布张力fT,并使之为常量或服从一个简单的关系,则可通过改变压强p来实现对施加载荷fN的大小控制。然而,实际上织布张力fT是由压强p引起的,且两者关系较复杂而不便于工程实现,即织布表面张力带来了不利影响。这就表明,当能保证气囊在加载面上与结构完全贴合时,要实现工程上可用的气囊加载控制方式,就必须要消除与加载面贴合的织布表面张力,即在加载面织布内及其边界上应满足条件:那么,由式(7)得:式(9)所表示的是施加载荷fN的控制律,即采用改变压强p的方法来等大小地改变均布加载载荷。在获得施加载荷控制律后,需要探讨在气囊加载装置设计中如何实现式(9)条件的要求。考虑到加载面织布受压力作用而贴紧结构,此时结构能阻止其沿加载面法向继续膨胀,那么要满足式(9)的条件,就要尽量避免在加载面内织布上传递其他部分的织布表面张力,则在工程中可行的方法是,通过限制住加载面织布边界,来保证受限制部分的织布始终处于仅受法向载荷作用。传统的气囊加载系统,通常采用金属壳来对气囊加以限制,这必将大大地增加试验成本,且限制了被试结构的可达性和可观测性而增加试验难度。由前述分析知,必须消除加载面大曲率方向的气囊织布表面张力,本文提出的方法是通过在加载面边界进行张力传递阻断来实现,该方法的优点是无需限制整个加载气囊,即不需制作庞大的限制容器。进一步,对于要求不太高的加载情况,在加载面曲率较小的方向可以不加限制,这样的设计便可以降低试验工作量及成本。此外,消除加载面织布的表面张力后,还可使这部分的织布与结构面之间基本不发生明显的相对移位,进而有利于保证在充气加载时织布与结构的贴合。具体的设计细节将在第3节中详细阐述。2加载装置的试验验证本节将探讨加载装置的验证方法,以检验其可行性。采用气囊加载方式的目的在于,施加结构所需要的均布载荷。实际上,加载装置设计所关注的是获得结构所需要的载荷。因而,其设计制作好后要进行的工作就是,验证该装置能否在各种压力条件下对结构施加所需要的载荷。由于载荷作用到结构上将产生相应的应变,因而可采用“待验证加载系统实施加载下的测试应变与相同载荷下所需达到的结构应变(目标应变)之间的偏差分析”,来验证其可行性。通常,只需要选择若干点进行应变测试,并与目标值比较即可完成装置检验与标定。如图8所示,将应变片贴于被加载结构的加载面上,采用该装置进行加载,读取并记录不同压差下各测试点处的应变值,最后将其与对应的目标应变值进行比较:若测得的应变与目标应变值在误差允许的范围内吻合,则可验证该装置可行;否则不可行。3氮气加载装置设计对图9中的飞机机身框段模型进行加载,设计其加载系统如图10所示。机身框段沿轴向分为三段:两端为过渡段、中间为测试段,应变片贴于测试段上。将模型弧面朝下放置并用设计的锁紧装置固定于工作台上,结构下方放置加载气囊,试验中通过气囊贴合在结构蒙皮上对飞机机身框段结构模型施加均布载荷。该结构的特点在于:其沿轴向的曲率为零,设计中在轴向不需要约束;而沿柱面切向曲率不能忽略,故在设计中需要在此方向的加载面边界进行约束,以消除此方向上气囊织布的表面张力。根据受力分析,设计气囊加载装置如图11所示。其只在加载面曲率较大方向的边界上设置了支持刚片,该刚片固定于基础(工作台)上,当非加载面内织布表面张力传递到此边界时,通过支持刚片产生与张力平衡的支持力,而将载荷传递到基础上,最终起到了阻断表面张力传递的作用。图11中所设计的气囊加载装置,除了可满足施加均布载荷的要求外,还避免了进行制作庞大金属容器来限制气囊的工作,其只需要加工制作两块支持刚片并在限制边界上粘贴双层织布即可达到要求,降低了试验费用与试验难度。此外,由于限制部件大量减少,也使得试验现象的可观察性大大地提高,试验中可便于实时监控气囊加载面与结构贴合程度及观察试验结构力学行为。按照第2节中提供的方法,对气囊加载系统进行验证,如图12所示。试验过程中,首先加载到预计的最大压差的1/3后卸载为零,此时平衡应变,然后按照一定压力梯度逐级加载,并记录各测试点的应变值。获取不同压差下各测试点处的应变值,并与各点处的目标应变值进行比较,如图13所示。由图13可知,各点处的测试应变值与其对应的目标应变值基本吻合,证明这种方法能满足实施均布载荷加载的要求,即该试验加载方案是合理且可行的。4气流载荷的加载装置设计考虑到飞机结构试验中经常需要对结构施加均布载荷,本文围绕新颖的气囊加载系统设计来开展研究工作。为了研究气囊加载系统的特性并分析以往气囊加载装置设计中存在的问题,在此建立了