大跨度大挠度悬臂试验台的桁架结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械技术领域，更进一步涉及航空结构技术、机械振动领域的一种大跨度大挠度悬臂试验台的桁架结构。本发明提出一种可以模拟飞机起飞和飞行过程中机翼的动态弯曲变形及叠加的小幅振动的桁架结构，以满足机翼液压管路承受大跨度大挠度试验的条件要求。
【背景技术】
[0002]飞机飞行过程中，机翼会因气流压力等原因发生复杂弹性振动。在极端变形情况下，机翼中安装的液压管路可能会产生超出设计要求的应力和应变，引发飞行事故。但由于机翼自身结构和其空间变形的复杂性，很难采用弹性力学的经典理论进行计算校核。如果直接采用实际机翼进行机翼液压管路飞行环境振动试验，特别是对于大跨度大挠度的机翼，则需要付出高昂的试验成本，甚至是现实中无法实现的。
[0003]岳峰所申请的专利“通过曲轴拉线产生弹性机翼振动的系统”(申请号01108210.0，公开号CN1302755A)公开了一种通过曲轴拉线产生弹性机翼振动的系统。该系统主要是在弹性机翼下方的机架上设有滑轮，并在机架下部中央设有滑轮组，用两根拉线分别与两个弹性机翼相连接，并通过滑轮和滑轮组与动力曲轴的曲拐铰接，动力曲轴的转动带动弹性机翼上下振动，从而使飞行器实现仿生飞行。但是，该系统存在的不足是:首先，该系统的机翼由弹簧钢丝配以高强高弹超薄尼龙布做成，结构的材料强度和刚度不足，在模拟飞行过程中钢丝绳和尼龙布容易断裂和破损；其次，该系统仅能模拟飞行器在起飞和降落过程中弹性机翼的小幅度上下振动，不能同时模拟飞机起飞和飞行过程中机翼的大挠度弯曲变形及叠加的小幅振动。
[0004]中国航空工业集团公司西安飞机设计研宄所所拥有的实用新型专利技术“一种大展弦比机翼跨声速颤振模型”(授权公告号CN 202177502U，申请号201120294839.2)公开了一种大展弦比机翼跨声速颤振模型。该实用新型采用带耳片的空心梁，空心梁为矩形空心结构，矩形两边带有耳片；空心梁上安装有垂直空心梁的肋板；空心梁的材料为低密度高模量金属材料，减轻了模型的整体重量，空心梁和蒙皮之间填充轻质泡沫保证了惯量分布。该专利技术存在的不足是:首先，该模型主结构和机翼根部的连接是刚性连接，受模型几何尺寸和质量控制的限制，抗拉强度和疲劳强度往往达不到要求，特别是在翼尖被快速提升或者压下时，根部的连接容易开裂甚至损坏。其次，该模型只能模拟飞机飞行过程中机翼的低速和跨声速小幅度颤振，但是不能模拟飞机起飞时机翼的大挠度弯曲变形。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，设计一种结构简单合理、满足机翼液压管路大跨度大挠度的试验条件要求、安全可靠的悬臂试验台的桁架结构，以模拟飞机起飞和飞行过程中机翼的大挠度动态弯曲变形及叠加的小幅振动，悬臂桁架提升的最高高度可达2258mm。
[0006]本发明的具体思路是:在现有的桁架结构技术基础上，对机翼模拟梁采用钢铝混合结构和变截面结构，通过各个构件之间的适当连接，重点对结构连接部分的应力和应变进行仿真校核，使连接后的桁架结构可以承受大挠度动态载荷，从而模拟飞机起飞和飞行过程中机翼的大挠度动态弯曲变形及叠加的小幅振动。
[0007]为了实现上述目的，本发明包括底座桁架、悬臂桁架和杆端球面联结器。
[0008]本发明首先解决了大跨度悬臂桁架承受大幅度提升力，会导致底座与地基连接处承受危险的倾覆力矩的技术问题，解决该技术问题所采用的技术方案是:底座桁架主体结构采用矩形钢拼接而成，材料为低合金结构钢Q345，局部薄弱处增加了三角加强筋，下层呈矩形分布的六个支撑柱通过地脚螺栓采用预留孔二次灌浆埋入法与大地固定。
[0009]其次，解决了长悬臂桁架应对大挠度动态弯曲变形及叠加小幅振动的特殊结构设计问题，解决该技术问题所采用的技术方案是:悬臂桁架采用钢铝混合结构，悬臂桁架由上主梁，两根下主梁和梯形框架构成。上主梁和两根下主梁采用铝合金板料，梯形框架采用钢材质，因主梁总长为L = 27250mm，而构成主梁的铝合金板最长只有3500mm，故主梁须由九段铝合金板拼接构成，在主梁的对接部位加上下两个小夹板，通过铰制螺栓连接，主梁与梯形框架通过普通螺栓与铰制螺栓混合连接。
[0010]再次，解决了基于遗传算法的变截面机翼模拟梁多目标优化的技术问题，解决该技术问题所采用的技术方案是:对初始设计出的机翼模拟梁进行拓扑优化和尺寸优化，优化后的悬臂桁架采用梯形变截面形式，上主梁与水平面倾斜度为Q1= 3.3度，两下主梁与水平面倾斜度Q2= 3度，悬臂桁架固定端梯形截面尺寸大于自由端梯形截面尺寸，梯形截面上边尺寸保持不变为X = 132mm，固定端梯形截面下边尺寸为Y1= 815mm，高为h丨=307mm，自由端梯形截面下边尺寸为Y2= 574mm，高为h 2= 187mm。
[0011]最后，解决了大跨度高强度机翼模拟梁各部件的连接技术，解决该技术问题所采用的技术方案是:悬臂桁架的固定端嵌入到底座桁架的盖板、底板之间，主梁与连接板接触处采用铰制螺栓，边缘采用普通螺栓，悬臂桁架的自由端与杆端球面联结器通过连接螺栓穿过自由端连接底板连接，自由端连接底板与上主梁、梯形框架通过普通螺栓和铰制螺栓混合连接。
[0012]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0013]第一，本发明底座桁架主体结构采用矩形钢拼接而成，通过M20地脚螺栓采用预留孔二次灌浆埋入法与大地固定，克服了现有技术中翼尖被快速提升或者压下时，根部的连接容易开裂甚至损坏的缺点，使得本发明的悬臂桁架在承受大幅度提升力时，底座与地基连接处承受的倾覆力矩在许用安全范围以内。
[0014]第二，本发明悬臂桁架采用钢铝混合结构，其中的三根主梁采用低密度低模量、柔性较好的7075铝合金材料，主梁间的梯形框架材料为Q345，克服了现有技术中由于全钢悬臂桁架设计方案存在重量过大，不便于液压提升系统实现牵引运动，并且存在加工难以解决难题，悬臂桁架主梁零件空间尺寸较大，无法进行后续热处理，其力学性能明显下降而无法满足强度条件，模拟结构大挠度变形应力过高的缺点，又因钢铝混合悬臂桁架设计方案在加工过程中不会破坏其材料强度使得本发明的桁架结构柔性明显增强，可以满足结构大挠度变形的要求。
[0015]第三，本发明悬臂桁架采用梯形变截面结构，与底座接触部位梯形截面大，头部梯形截面小，采用该结构主要是变截面优化拟合了桁架结构预期的大弯曲变形曲线，克服了现有技术中等截面结构受力不合理，传递振动性能不理想的缺点，同时减轻悬臂桁架的重量，使得本发明的悬臂桁架能够更好地应对大挠度动态弯曲变形及叠加小幅振动。
[0016]第四，本发明桁架结构的各个构件之间采用普通螺栓与铰制螺栓混合连接，其中，梯形框架与三根主梁通过铰制螺栓和普通螺栓混合连接，悬臂桁架固定端与底座桁架通过盖板、底板、铰制螺栓和普通螺栓混合连接，悬臂桁架自由端与杆端球面联结器通过连接螺栓穿过自由端连接底板连接，自由端连接底板与上主梁、梯形框架通过普通螺栓和铰制螺栓混合连接，克服了现有技术中大跨度桁架构件连接之间难以提供足够的抗剪切力的缺点，由于各部件之间的连接都为异种金属连接，并且各连接处同时存在大的正应力和切应力，采用普通螺栓与铰制螺栓混合连接使所有螺栓共同承受轴向载荷，铰制螺栓承受横向载荷，既提供了足够的紧固力又提供了足够的抗剪切力，使得本发明的桁架结构中各个构件之间的连接安全可靠，可以满足机翼模拟梁大跨度和高强度的要求。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的整体结构示意图；
[0018]图2是本发明底座桁架与地面连接示意图；
[0019]图3是本发明悬臂桁架结构示意图；
[0020]图4是本发明悬臂桁