劉曉明

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

熊峻江

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

萬(wàn)少杰

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)強(qiáng)度部，上海200232)

李 強(qiáng)

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)強(qiáng)度部，上海200232)

飛行譜是飛機(jī)在全壽命期內(nèi)各飛行與地面狀態(tài)及其所持續(xù)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比例，它綜合考慮全機(jī)重量、重心位置及飛行高度與飛行時(shí)間的組合，能全面反映飛機(jī)的使用情況;載荷譜則是按照飛行譜飛行時(shí)飛機(jī)所承受載荷情況.飛行譜和載荷譜是飛機(jī)飛行載荷實(shí)測(cè)、疲勞載荷譜編制以及結(jié)構(gòu)疲勞定壽的前提，國(guó)外大型民用飛機(jī)的發(fā)展具有較完備的飛機(jī)使用情況數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)可以大大減少工作量，縮短新機(jī)研發(fā)周期［1］.國(guó)內(nèi)外為此進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［2］提出了以代表每種實(shí)測(cè)科目的中值壽命或損傷的起落進(jìn)行編譜的新方法，文獻(xiàn)［3］則對(duì)該編譜方法賦予了置信度，建立了滿足高置信度的中值隨機(jī)疲勞載荷譜的編制原理.文獻(xiàn)［4-5］建立了實(shí)測(cè)載荷譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，研究了載荷分布規(guī)律，提出了加速試驗(yàn)載荷譜編制方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)［6］研究了根據(jù)飛-續(xù)-飛隨機(jī)疲勞載荷譜編制等幅載荷譜的方法.文獻(xiàn)［7］采用多變量的Gaussian或t概率分布函數(shù)的混合模型模擬或編制載荷譜，該方法比以往單一模型具有更好精度.文獻(xiàn)［8］采用Monte Carlo方法模擬大載荷出現(xiàn)小概率值，提高了載荷譜編制精度.綜合考慮載荷、頻數(shù)、順序和分布等4方面因素編制的飛機(jī)載荷譜才具有真實(shí)性和準(zhǔn)確性，對(duì)于運(yùn)輸機(jī)類飛機(jī)載荷譜編制，目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用 TWIST標(biāo)準(zhǔn)編譜方法［9-13］，該方法對(duì)損傷模型假設(shè)的依賴性降至最低，并能給出更符合實(shí)際使用情況的疲勞載荷譜和更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，以往都是在已知實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)的條件下，采用此方法編制載荷譜，而對(duì)于新設(shè)計(jì)型號(hào)飛機(jī)，往往不存在系統(tǒng)的實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)載荷數(shù)據(jù)不完備，則需要探索飛行譜與載荷譜編制的新途徑，為此，本文提出借助同類機(jī)型的實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)編制新研制飛機(jī)的飛行譜和載荷譜的新方法，并給出實(shí)例，驗(yàn)證該方法的可行性與有效性.

1 民機(jī)飛行譜與載荷連續(xù)譜編制

民用飛機(jī)使用情況相對(duì)簡(jiǎn)單，通常不進(jìn)行大過(guò)載的機(jī)動(dòng)飛行，因此，其飛行譜中各機(jī)動(dòng)飛行可統(tǒng)一進(jìn)行考慮，但是，最終的飛行譜必須根據(jù)飛機(jī)的實(shí)際飛行使用情況，進(jìn)行大子樣的統(tǒng)計(jì)分析確定.飛機(jī)研制的初步設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)定型階段，一般沒(méi)有大子樣載荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，則可根據(jù)研制型號(hào)的技術(shù)規(guī)范和相似機(jī)型類似任務(wù)的飛行譜類比得到，并將其作為暫定飛行譜，作為飛行載荷測(cè)量和初步壽命評(píng)估的依據(jù).飛行譜的編譜方法有兩種:設(shè)計(jì)分析法和統(tǒng)計(jì)分析法.設(shè)計(jì)分析法包括類比法和任務(wù)分解法;研制后期的飛行譜采用統(tǒng)計(jì)分析法進(jìn)行［14］.某新研國(guó)產(chǎn)民機(jī)屬國(guó)外 A320，B737-40，MD-82＆83，B767-200ER 等同一量級(jí)航程和載客數(shù)的機(jī)型，參照這些機(jī)型的飛行譜，采用類比法，分析和推斷該國(guó)產(chǎn)民機(jī)的飛行譜.根據(jù)新研飛機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)和現(xiàn)有國(guó)外同類民機(jī)飛行實(shí)測(cè)的結(jié)果，分析飛機(jī)營(yíng)運(yùn)的長(zhǎng)程、中程、短程的飛行時(shí)間和典型飛行任務(wù)剖面的標(biāo)準(zhǔn)使用情況(涉及地面滑跑、爬升、巡航、降落、飛行時(shí)間、速度、重量和高度以及花在每個(gè)操縱狀態(tài)上的大致時(shí)間)，建立基準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn))典型飛行任務(wù)剖面.某國(guó)產(chǎn)民機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)航程為 4 075 km，因此，參照 A320、MD-82＆83和B737-400飛行譜數(shù)據(jù)［15-17］，采用類比法，確定其離地、爬升、巡航、降落、進(jìn)場(chǎng)階段的時(shí)間比例.飛行統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，MD-82＆83航班數(shù)3987，飛行小時(shí)數(shù)7120;B737-400航班數(shù)8679，飛行小時(shí)數(shù)13916，上述2種機(jī)型典型飛行任務(wù)剖面飛行小時(shí)數(shù)平均后的時(shí)間比例，可作為某國(guó)產(chǎn)民機(jī)暫定飛行譜的任務(wù)剖面時(shí)間比例，得到飛行剖面中各空中段的時(shí)間比例(如表1所示).

根據(jù)商業(yè)運(yùn)營(yíng)中的B737-400飛機(jī)的載荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［15］(如圖1～圖4所示)，將飛行剖面劃分7個(gè)任務(wù)段進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(如表2所示)，圖1～圖4所示的實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)為過(guò)載-超越數(shù)曲線，需對(duì)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，獲得連續(xù)過(guò)載譜，即載荷系數(shù)增量連續(xù)譜，以便進(jìn)行載荷統(tǒng)計(jì)推斷.

表1 民用飛機(jī)典型飛行任務(wù)剖面空中各階段的時(shí)間比例

表2 典型任務(wù)段及其載荷譜類型

由于過(guò)載-累積發(fā)生次數(shù)理論上為單調(diào)的遞增或遞減，因此，采用直線m=A+B×Δnz擬合，擬合結(jié)果如表3所示，其中Δnz表示載荷系數(shù)增量;m表示每次飛行的各任務(wù)段中的載荷系數(shù)增量或遭遇突風(fēng)的超越次數(shù).參照B737-400飛機(jī)下翼面各飛行段的單位增量載荷系數(shù)(Δ1g)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平σΔ1g的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［15］，可由表3所示的載荷系數(shù)增量連續(xù)譜，計(jì)算某民機(jī)各飛行段的應(yīng)力連續(xù)譜(如表4所示)，其中Δσ為在σΔ1g基礎(chǔ)上的應(yīng)力水平增量，等于σΔ1g與Δnz的乘積.

圖1 每1000飛行小時(shí)中垂直突風(fēng)過(guò)載增量的累積發(fā)生次數(shù)

圖2 每1000飛行小時(shí)中機(jī)動(dòng)載荷過(guò)載增量的累積發(fā)生次數(shù)

圖3 起飛滑跑階段每1000次飛行中機(jī)動(dòng)載荷過(guò)載增量的累積發(fā)生次數(shù)

圖4 著陸滑跑階段每1000次飛行中機(jī)動(dòng)載荷過(guò)載增量的累積發(fā)生次數(shù)

表3 各任務(wù)段載荷譜的突風(fēng)增量載荷Δnz連續(xù)分析譜

表4 各飛行段的應(yīng)力連續(xù)分析譜

2 民機(jī)5×5譜編制

按照TWIST標(biāo)準(zhǔn)編譜方法，由表4所示的應(yīng)力連續(xù)譜，可編制民機(jī)的n×n地-空-地譜(即5×5 譜)，內(nèi)容包括［10］:高、低載處理;應(yīng)力連續(xù)譜的離散化;飛行任務(wù)類型與飛行載荷等級(jí)定義，即將飛行剖面中任務(wù)段劃分為n類，各類任務(wù)段的載荷又劃分為n等級(jí);各任務(wù)段載荷次序的隨機(jī)生成.由于過(guò)高拉伸應(yīng)力會(huì)在裂紋形成部位產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力和應(yīng)變硬化，為了避免因裂紋擴(kuò)展遲滯效應(yīng)而截除出現(xiàn)次數(shù)很少的高水平載荷，為此，選取3000次飛行中被超過(guò)1次的最大載荷作為高載截取準(zhǔn)則，進(jìn)行高載截除，同時(shí)，為了減少試驗(yàn)時(shí)間需要?jiǎng)h除不會(huì)對(duì)累積損傷產(chǎn)生影響，可略去不計(jì)的高頻低載，借鑒波音737飛機(jī)試驗(yàn)譜中曾采用過(guò)的刪除準(zhǔn)則，選取刪除低載的應(yīng)力水平為13 MPa，各階段的截除與刪除準(zhǔn)則如表5所示.

通過(guò)MATLAB編制程序完成載荷譜離散化，得到各級(jí)離散載荷及其出現(xiàn)次數(shù).由于天氣條件和其他外界因素的影響，每次飛行都包含不同載荷等級(jí)的不同飛行類型，為此，需要定義飛行類型，將不同等級(jí)離散載荷分配到各飛行類型，即將每類飛行中出現(xiàn)的最高載荷對(duì)應(yīng)于離散譜n級(jí)載荷水平中的某一等級(jí)，最強(qiáng)烈的飛行類型則含有n級(jí)離散譜中的最高等級(jí)載荷，而離散譜中最小等級(jí)載荷僅僅存在于最平穩(wěn)的飛行類型.離散載荷分配時(shí)，必須滿足突風(fēng)極值載荷對(duì)數(shù)正態(tài)分布準(zhǔn)則、突風(fēng)譜形狀相似準(zhǔn)則以及每次飛行機(jī)動(dòng)循環(huán)數(shù)近似相同準(zhǔn)則［11-13］，最終，獲得巡航段突風(fēng)譜載荷矩陣(如表6所示)和突風(fēng)譜(如圖5所示).

表5 各任務(wù)段應(yīng)力連續(xù)譜的高載截取和低載刪除水平

表6 巡航段的突風(fēng)譜載荷矩陣

圖5 巡航段的突風(fēng)譜

采用相同方法和計(jì)算步驟，可以得到各飛行段的突風(fēng)譜與機(jī)動(dòng)譜及其載荷矩陣.在完成各飛行段各飛行類型的離散突風(fēng)譜與機(jī)動(dòng)譜的編制后，將各飛行段的具有相同載荷等級(jí)的飛行類型的譜編制在一起，即將所有飛行段的A類譜按飛行段的排列次序組合形成一個(gè)完整的A類飛行，依此類推，完成飛行段的5級(jí)離散譜的隨機(jī)排列次序.首先進(jìn)行飛行段的飛行類型的隨機(jī)排列，然后對(duì)各個(gè)飛行類型包含的各級(jí)載荷隨機(jī)排列，按照飛行段的發(fā)生次序?qū)㈦S機(jī)的載荷排列，得到的各個(gè)飛行段的載荷譜.起飛滑跑段和離地段的載荷譜分別如圖6和圖7所示，限于論文篇幅，其它飛行段的載荷譜就不詳盡示出.按照上述方法編制的飛機(jī)機(jī)翼的下翼面的載荷譜如圖8所示.

圖6 起飛滑跑段的載荷譜

圖7 離地段的載荷譜

圖8 機(jī)翼下翼面的載荷譜

3 結(jié)論

1)本文探索了由同類機(jī)型的飛行實(shí)測(cè)載荷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，推斷新研制機(jī)型的飛行譜，進(jìn)而編制其載荷譜的新途徑，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了本文途徑的可行性與有效性;

2)根據(jù)B737-400，A320和MD82＆83的性能參數(shù)及其飛行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用類比法，推斷了某國(guó)產(chǎn)民機(jī)的典型任務(wù)剖面和各飛行狀態(tài)的時(shí)間比例，編制了飛行譜;

3)分析并處理了737-400飛行載荷(突風(fēng)和機(jī)動(dòng))統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，擬合了過(guò)載系數(shù)與出現(xiàn)頻次曲線，得到各任務(wù)段載荷譜的過(guò)載連續(xù)譜和應(yīng)力連續(xù)譜;

4)按照TWIST標(biāo)準(zhǔn)譜編制原則，通過(guò)應(yīng)力連續(xù)譜的離散、載荷水平比選取、極值載荷對(duì)數(shù)正態(tài)分布和形狀相似以及每次飛行機(jī)動(dòng)循環(huán)數(shù)近似相同檢驗(yàn)，編制了國(guó)產(chǎn)民機(jī)的5×5譜，通過(guò)隨機(jī)排序形成5×5地-空-地譜.

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