王 靖，王 凯
(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)
在航空领域，飞机结构设计的优化技术越来越重要。民用飞机如何提高续航里程、提升燃油经济性，军用飞机如何提高战术机动性，都和结构设计息息相关。通过结构优化进行减重，可以提高飞机的续航里程，提升燃油经济性；
通过结构优化加强飞机的强度和刚度，可以提升飞机的承载能力。如何检验飞机结构的力学性能，成为至关重要的问题[1]。
当前，航空、航天、煤炭、船舶、高铁、石油等众多行业对产品部件或产品整体的强度试验需求越来越多。强度试验多以加载技术为主，其中涵盖多个领域，如液压、气压、电动加载技术，多通道协调控制技术，数据采集技术等[2]。
本文介绍了某试验件轴向加载静力强度试验系统，其可用来研究试验件在静载荷作用下的强度和刚度，验证结构或产品是否满足规定的设计要求，验证细节设计的合理性。
某轴向加载静力强度试验系统主要由液压系统(包括液压泵站、液压伺服作动筒、液压管路等)、控制系统、机械系统及试验件的应变、位移测量设备等。图1所示为系统组成结构图。
图1 系统组成结构图
根据试验要求，轴向静力加载包括单缸轴向加载和双缸轴向加载两种试验方式。图2(a)所示为单缸轴向加载的试验参考模型，图2(b)所示为双缸轴向加载的试验参考模型。此外，利用本方案建设的试验系统还可完成其他工况试验，如图2(b)所示的弯矩加载，图2(c)所示的轴向力与侧向力同时加载及图2(d)所示的扭矩加载等。
(a)单缸轴向加载示意图
(b)双缸轴向加载，弯矩加载示意图
(d)扭矩加载示意图图2 多工况加载方案
液压系统主要由泵站、液压伺服作动筒和配套的管路系统组成。
3.1 液压泵站
液压泵站的主要技术指标如下：额定供油压力2MPa～21MPa，无级可调；
柱塞泵1台，额定流量为40L/min；
三级油液过滤器(吸油进油过滤器、高压输出过滤器、回油过滤器)，污染度优于GJB 420A-7级；
压力、油温、液位能实时显示，并在超压、超温、液位过低时自动报警；
工作介质采用46#抗磨液压油；
采用工业油冷机进行冷却。泵站三维模型如图3所示。
图3 泵站三维模型参考图
3.2 液压伺服作动筒
液压作动筒的规格及数量见表1。
表1 伺服油缸类型及规格
液压作动筒采用单出杆作用方式，基本组成主要包括筒体、保护模块、伺服阀、载荷传感器等[3]，三维模型如图4所示。两端采用球铰形式，抵消侧向力的影响，保证作动筒一直处于二力杆形式，改善受力条件[4]。
图4 液压作动筒三维模型示意图
作动筒总体性能指标：
(1)密封性。使用过程无内漏、无外漏、无渗油。
(2)最低启动压力。所有吨位液压作动筒的最低启动压力小于0.2MPa。
(3)每套作动筒均与高响应液压伺服阀集成。
(4)每套作动筒配置安全卸载保护模块。
(5)安装方式为两端球铰。
4.1 控制系统概述
轴向加载静力强度试验系统配置3通道协调加载控制系统，能够实现单通道独立加载以及多通道组合协调加载功能[5]。控制设备采用MOOG SmarTEST航空航天测试控制器，控制系统易于扩展，可通过添加板卡的方式扩展到最多8通道。
SmarTEST测试控制器是典型的协调加载控制设备，通过其实时控制前端可以实现对所有试验对象的协调加载。用户可以自定义力、位移反馈控制曲线，可以设定升、降载速率，可以进行分级加载、保载，连续加载、卸载，满足产品静力/疲劳试验验证的需求[6]。
图5所示为以多通道协调加载控制系统为核心的静力加载试验系统组成示意图。其中，在主控计算机编辑或外部输入试验载荷谱(载荷谱可以是用户定义的各种波形)，通过协调加载控制系统操纵液压执行机构进行加载。用户可以根据需要读取控制系统采集的各类数据，并传输到外部数据采集系统。
图5 轴向静力加载试验系统组成示意图
该控制系统具有完备的安全保护功能，当监测到试验过程中发生故障时，能够根据设置自动触发泵站和执行机构的保护响应动作，也可以通过应急开关发送应急信号，立即停止试验。
4.2 控制系统配置及技术指标
控制系统主要包括：20U机柜，SMC机箱；
机柜内配置RTFE实时控制前端计算机，实现协调加载控制和I/O板卡接入；
3个SCU伺服通道卡除提供3通道力和位移伺服控制外，还提供3通道模拟输入，6通道模拟输出；
SSI液压接口板1块；
1块PCI 16/16数字输入输出卡，提供控制器I/O资源；
SmarTEST输入/输出接口板1块；
1套20A电源，24VDC；
1台测试工作站计算机；
HP A4激光打印机。
MOOG控制系统是总线机架整体式结构，图6为控制器机柜示意图。
根据某试验件静力强度加载试验的需求，设计了针对该试验件静力加载的系统集成方案，主要包括液压系统、控制系统、机械系统等组成部分。该试验系统不仅可以完成对试验件的轴向加载，还可以完成弯矩、扭矩以及任意载荷的组合加载，试验灵活性较高。对整个试验系统的主要分系统进行设计，并介绍了分系统的组成、运行原理、设计思路及主要技术指标。配备的协调加载控制器可以实现复合加载工况各载荷的协调加载，满足试验要求。
图6 协调加载控制器机柜示意图
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