一种垂尾盒段试验支撑假件及试验设备的制作方法

本发明涉及航空制造领域，具体涉及一种垂尾盒段试验支撑假件及试验设备。

背景技术：

对于现代民机结构，垂尾与后机身的连接关系复杂，剪力、弯矩传载高。民用飞机后机身-垂尾典型连接方案如图1所示。垂尾根部与机身之间通过多对接头连接，通过拉压传递垂尾的弯曲载荷；同时垂尾根部还与机身壁板采用高锁螺栓连接，通过剪切传递垂尾剪力和扭矩。在开展垂尾盒段试验时，需重点设计后机身对垂尾盒段的连接和支撑，以真实模拟垂尾盒段的边界条件。

垂尾盒段试验可采用后机身支持，或采用假件支持，分别如图2、图3所示。后机身支持的边界条件真实，但成本高，且后机身筒段需加强以满足试验要求(考虑环境因子、疲劳载荷放大系数)。采用支撑假件开展垂尾盒段试验具有成本低、可设计性强、试验场地小等优点，且通过合理的设计可较为真实的模拟垂尾与后机身的连接和传力，因此是一种可选的试验方案。

现有技术中：

1)201310652040.x/一种用于飞机结构强度试验的尾翼载荷施加装置(如图4)。该专利提供了一种在飞机结构强度试验中，能够有效模拟尾翼受力情况的尾翼载荷施加装置。通过加载横梁和垂直于尾翼假件平台表面的连接耳片形式的改变对试验件施加不同载荷。

该专利与提案专利的适用对象不同。提案专利模拟后机身对垂尾盒段的支撑和连接，适用于垂尾盒段试验，以及垂尾/后机身连接区试验。

2)201520196320.9/一种飞机垂尾静力试验支持件(图5)。该专利提供了一种飞机垂尾静力试验支持件，包括上下底板、加强筋板、槽型材和安装接头等部件。该专利采用框架式的假件对垂尾盒段进行支撑和连接，与提案专利的方案不同。提案专利基于真实后机身结构设计支撑假件，从而更为真实的模拟后机身对垂尾盒段的支撑。

3)201810842763.9/飞机垂直安定面与机身连接强度试验的可调刚度支撑系统(图6)、201810842783.6/一种用于飞机垂尾与机身连接强度试验的支撑装置、201810845691.3/飞机垂直安定面与机身连接强度试验支撑系统。

相关单位/人员申请了3个类似专利，以其中一项进行分析。该专利提供了一种飞机垂直安定面与机身连接强度试验的可调刚度支撑系统，包括对称设置的两组可变刚度杆系、连接板、接头等部件。该专利模拟飞机垂直安定面与机身的连接约束条件，测试连接接头的极限承承载能力及破坏模式。

该专利采用杆系结构的假件对垂尾盒段进行支撑和连接，与提案专利的方案不同。提案专利基于真实后机身结构设计支撑假件，从而更为真实的模拟后机身对垂尾盒段的支撑。

4)us8,267,352b2/structureoftheloadintroductionzoneintherearendofanaircraft(图7)。该专利设计了一种机身尾段的载荷施加方案，包括平尾载荷施加方案、垂尾载荷施加方案。通过设计试验假件模拟垂尾、平尾对后机身的载荷传递，以便对后机身结构开展试验测试。

结合以上对于现有技术方案的描述和分析，现有技术方案存在以下特点/缺点：

1)图4、图7中的相关专利仅适用于后机身结构加载和试验测试；

2)对于图5、图6中的相关专利，均采用框架、杆系等结构设计试验假件，模拟后机身对垂尾盒段的支撑；

3)垂尾与后机身连接关系复杂，不仅包含多对连接接头传递弯矩导致的拉压载荷，还包含多颗高锁螺栓以传递剪力和扭矩。垂尾和后机身的传力不仅与连接紧固件相关，还与机身蒙皮、框等支持结构的刚度紧密相关。图5、图6中的相关专利虽然试图通过框架、杆系的假件结构真实反映垂尾与后机身的连接关系和传力，仍难以实现连接接头、高锁螺栓的受载完全与真实飞机结构一致。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供一种垂尾盒段试验支撑假件、试验设备被及制备方法。本发明技术方案基于真实飞机后机身结构设计垂尾盒段试验支撑假件，保证垂尾与后机身连接关系不变；通过合理的刚度设计调整支撑假件与垂尾盒段的传载比例，从而较为真实的模拟了后机身对垂尾盒段的支撑。由此，本申请方案可适用于静力、疲劳&损伤容限等多种加载方式。

根据本发明的第一方面，提供一种垂尾盒段支撑假件，所述支撑假件固定于上墙端上，其特征在于，所述支撑假件包括：

多个支撑假件框，通过多个框连接角盒固定于上墙端上；

支撑假件蒙皮，覆盖于多个支撑假件框上，所述支撑假件蒙皮中部设有支撑假件与垂尾连接区；

多个蒙皮连接带板，位于支撑假件蒙皮沿飞机航向的两侧，连接于支撑假件蒙皮和上墙端上。

进一步的，所述支撑假件框顶部为圆弧形，支撑假件蒙皮完全覆盖其顶部。

进一步的，所述支撑假件框的数量为个。

进一步的，所述蒙皮连接带板避开支撑假件框的框缘条对称设置于支撑假件蒙皮沿飞机航向的两侧。

进一步的，所述蒙皮连接带板包括第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板的一侧相连，彼此之间设有一条或多条连接肋，夹角大于90°；第一侧板固定于支撑假件蒙皮，第二侧板固定于上墙端。

进一步的，所述蒙皮连接带板的第一侧板和第二侧板上分别设有多个固定孔，第一侧板通过紧固件固定于支撑假件蒙皮，第二侧板通过紧固件固定于上墙端。

进一步的，所述蒙皮连接带板的第一侧板和第二侧板固定于支撑假件蒙皮和上墙端的方式包括但不限于焊接、胶接。

进一步的，所述蒙皮连接带板的数量为8个，沿支撑假件蒙皮两侧分别对称设置4个。

进一步的，所述框连接角盒包括多个第一框连接角盒和多个第二框连接角盒，所述第一框连接角盒设置于支撑假件框两侧，所述第二框连接角盒设置于支撑假件框中部。

进一步的，所述第一框连接角盒的第一侧板和第二侧板的一侧相连，彼此之间设有一条或多条连接肋，夹角为90°；第一侧板固定于支撑假件框，第二侧板固定于上墙端。

进一步的，所述第二框连接角盒的第一侧板垂直设置于第二侧板的平面上，彼此之间设有一条或多条连接肋；第一侧板固定于支撑假件框，第二侧板固定于上墙端。

进一步的，所述第二框连接角盒成对设置，分别位于支撑假件框沿飞机航向前后两侧。

进一步的，所述框连接角盒的第一侧板和第二侧板上分别设有多个固定孔，第一侧板通过紧固件固定于支撑假件框，第二侧板通过紧固件固定于上墙端。

进一步的，所述框连接角盒的第一侧板和第二侧板固定于支撑假件框和上墙端的方式包括但不限于焊接、胶接。

进一步的，所述框连接角盒的数量为6个。

根据本发明的第二方面，提供一种垂尾盒段试验设备，所述试验设备采用根据以上任一方面所述的垂尾盒段支撑假件，所述支撑假件固定于上墙端上，并与垂尾试验件根部连接。

进一步的，上墙端与承力墙或地面夹具连接，起到固定支撑假件和垂尾试验件的作用。

根据本发明的第三方面，提供一种如以上任一方面所述的垂尾盒段试验支撑假件的制备方法，所述方法包括：

步骤1：确定支撑假件的设计输入及范围；

步骤2：确定支撑假件与上墙端连接方案；

步骤3：根据确定的支撑假件的范围和支撑假件与上墙端连接方式，计算支撑假件与垂尾的传载比例；

步骤4：判断是否满足传载比例要求；

若满足，进行下一步骤；

若不满足，修改支撑假件与上墙端连接方案；

步骤5：支撑假件强度校核；

步骤6：判断支撑假件是否满足强度要求：

若满足，进行下一步骤；

若不满足，对低(负)裕度区进行设计补强；

步骤7：加工制造。

进一步的，所述支撑假件的设计输入包括：真实飞机的垂尾、后机身结构；试验任务书、试验设计要求；真实飞机垂尾与后机身传载，包括连接接头拉压载荷以及高锁螺栓的剪切载荷。

进一步的，所述支撑假件的范围在航向包含与垂尾连接框，以及前后各一个框。

进一步的，所述步骤2具体包括：根据支撑假件的选取范围，定义支撑假件蒙皮、框与上墙端的连接方式。分别采用蒙皮连接带板、框连接角盒定义支撑假件与上墙端的连接。

进一步的，所述步骤3计算支撑假件与垂尾的传载比例。

进一步的，所述步骤4具体包括：对比支撑假件与垂尾的传载比例，

若传载比例误差>10％，调整支撑假件范围及其与上墙端连接方式；

若传载比例误差≤10％，进行下一步骤。

进一步的，所述步骤5强度校核项包括但不限于：a)支撑假件稳定性；b)支撑假件应力/应变；c)支撑假件连接区强度；d)支撑假件疲劳/损伤容限强度。

本发明的有益效果：

1.本发明技术方案的垂尾盒段试验支撑假件基于真实后机身结构设计，保证了垂尾与后机身的连接关系不变；

2.本发明技术方案的支撑假件具有较强的可设计性，通过加强可满足垂尾盒段静力、疲劳&损伤容限试验要求；通过合理的刚度设计调整支撑假件与垂尾盒段的传载比例，可以较为真实的模拟后机身对垂尾盒段的支撑。

附图说明

本发明上述结构特征或优点，结合下面附图将变得明显和更容易理解，其中：

图1为现有技术中民用飞机后机身-垂尾典型连接方案；

图2为现有技术中采用后机身支持的垂尾盒段；

图3为现有技术中采用假件支持的垂尾盒段；

图4为现有技术中的尾翼载荷施加装置；

图5为现有技术中的飞机垂尾静力试验支持件；

图6为现有技术中的可调刚度支撑系统；

图7为现有技术中的尾翼载荷施加装置；

图8为根据本发明实施例的支撑假件与垂尾连接关系示意图；

图9为根据本发明实施例的支撑假件组成示意图；

图10为根据本发明实施例的支撑假件蒙皮与上墙端连接示意图；

图11为根据本发明实施例的支撑假件蒙皮连接带板示意图；

图12为根据本发明实施例的支撑假件框与上墙端连接示意图；

图13为根据本发明实施例的支撑假件框连接角盒示意图；

图14为根据本发明实施例的垂尾盒段立式试验方案示意图；

图15为根据本发明实施例的垂尾盒段水平式试验方案；

图16为根据本发明实施例的垂尾盒段试验支撑假件制备流程图；

图17为根据本发明实施例的支撑系统截取机身段示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号始终表示相同或类似的结构特征。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而并非对本发明的限制。

在本发明实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明涉及一种垂尾盒段试验支撑假件、试验设备被及制备方法。支撑假件基于真实后机身结构设计，组成包括支撑假件本体，以及支撑假件蒙皮、框与上墙端的连接。

“支撑假件”，即垂尾试验支撑假件，是为了在垂尾盒段试验中，模拟真实飞机的后机身对垂尾的连接和支持，并为垂尾盒段试验提供支撑，从而提供的、作为“试验台架”或“试验夹具”的装置。之所以称为“假件”，是可以认为它是假的后机身。

实施例

垂尾盒段试验示意图如图8所示。支撑假件1与垂尾试验件2根部连接，模拟真实后机身对垂尾盒段的连接和支撑作用；支撑假件1的蒙皮、框等部件同时与上墙端3通过角盒、带板等结构连接。上墙端3通常与承力墙或地面夹具连接，起到固定支撑假件1和垂尾试验件2的作用。

具体来说，垂尾盒段试验支撑假件的组成如图9所示。包括支撑假件蒙皮4、支撑假件与垂尾连接区5、支撑假件框6、蒙皮连接带板7以及框连接角盒8。

其中，支撑假件蒙皮4、支撑假件与垂尾连接区5、支撑假件框6均基于真实飞机的后机身结构开展设计。支撑假件与垂尾连接区5与真实飞机的后机身/垂尾连接区完全一致；支撑假件蒙皮4从真实后机身蒙皮中截取并做必要的调整，沿飞机航向可包含与垂尾连接框以及前后各一个框，或根据实际情况选取范围；支撑假件框6从真实后机身框中截取并做必要的调整，沿飞机航向可包含与垂尾连接框以及前后各一个框，沿飞机垂向可包含机身上侧1/4区域，或根据实际情况选取范围。

其中，蒙皮连接带板7、框连接角盒8分别将支撑假件蒙皮4、支撑假件框6与上墙端3连接，以固定支撑假件1。蒙皮连接带板7包含多个带板，具体数量和连接形式取决于支撑假件蒙皮4的范围和构型；框连接角盒8包含多个角盒，具体数量和连接形式取决于支撑假件框6的范围和构型。

图10为蒙皮连接带板7的典型布置方案示意图。具体的，支撑假件蒙皮4单侧通过多个(例如4个)连接带板701、702、703、704与上墙端3连接，连接带板701、702、703、704避开框缘条的区域，分别与支撑假件蒙皮4、上墙端3通过紧固件、焊接、胶接或其它方式连接。连接带板701、702、703、704的典型结构示意图如图11所示。

蒙皮连接带板7沿飞机对称面另一侧对称布置。

图12为框连接角盒8的典型布置方案示意图。具体的，支撑假件框6单侧通过多个(例如6个)连接角盒801、802、803、804、805、806与上墙端3连接，连接角盒801、802、803、804、805、806与支撑假件框6、上墙端3通过紧固件、焊接、胶接或其它方式连接。连接角盒801、802、803、804、805、806的典型结构示意图如图13所示。

框连接角盒8沿飞机对称面另一侧对称布置。

采用本专利提案的支撑假件开展垂尾盒段试验时，可采用立式试验、水平式试验等多种方案，示意图分别如图14、图15所示。

垂尾盒段试验支撑假件制备步骤具体如图16所示。具体步骤说明如下：

步骤一：确定支撑假件设计输入。支撑假件设计的输入包括但不限于：a)真实飞机的垂尾、后机身结构；b)试验任务书、试验设计要求；c)真实飞机垂尾与后机身传载，包括连接接头拉压载荷以及高锁螺栓的剪切载荷。

步骤二：定义支撑假件与上墙端连接方案。根据支撑假件的选取范围，定义支撑假件蒙皮、框与上墙端的连接方案。分别采用蒙皮连接带板、框连接角盒定义支撑假件与上墙端的连接。

步骤三：计算支撑假件与垂尾传载比例。根据步骤二定义的支撑假件与上墙端连接方案，计算支撑假件与垂尾的传载比例。

步骤四：评估支撑假件是否满足传载要求。评估项包括但不限于：a)垂尾/后机身连接接头拉压载荷对比；b)高锁螺栓剪切载荷对比；c)垂尾根部壁板、梁、金属连接件应力/应变对比；d)垂尾典型截面(特别是根部截面)应变对比。

步骤五：计算支撑假件强度。强度校核项包括但不限于：a)支撑假件稳定性；b)支撑假件应力/应变；c)支撑假件连接区强度；d)支撑假件疲劳/损伤容限强度。

步骤六：评估支撑假件是否满足强度要求。若满足即可开展下一步骤，若不满足须对低(负)裕度区进行设计补强。

步骤七：支撑假件设计方案冻结、出图制造。设计工作结束。

由此，本发明技术方案涉及一种垂尾盒段试验支撑假件及制备方法，其中：

1)垂尾盒段支撑假件基于真实后机身结构设计，包括支撑假件本体结构，以及支撑假件蒙皮、框与上墙端的连接结构。支撑假件蒙皮通过多个连接带板与上墙端连接，支撑假件框通过多个连接角盒与上墙端连接，连接方式包括紧固件连接、焊接、胶接或其它方式连接。

2)采用本专利提案的支撑假件开展垂尾盒段试验时，采用支撑假件、垂尾盒段一体化设计的方式，可采用立式试验、水平式试验等多种方案。

3)提出了垂尾盒段试验支撑假件制备方法，包括定义支撑假件与上墙端连接方案、计算支撑假件与垂尾传载比例、支撑假件强度校核等步骤。

尽管以上内容已经描述和示出了本发明的实施例，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明实施例的前提下，还可以做出若干简单变化、修改、替换和变型，都应当视为属于本发明的保护范围。