韓 凱，賀 謙，左 佳

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)異常應(yīng)變數(shù)據(jù)診斷研究

韓 凱，賀 謙，左 佳

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

針對飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中常見的由于測量線路原因而產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)異常情況進(jìn)行歸類總結(jié)，通過設(shè)計模擬試驗(yàn)，測量應(yīng)變數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取故障特征，歸納總結(jié)異?，F(xiàn)象與產(chǎn)生原因的對應(yīng)關(guān)系，為異常應(yīng)變數(shù)據(jù)的快速分析和排除提供依據(jù)。

飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)；測量線路異常；應(yīng)變數(shù)據(jù)

1 引 言

在飛機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，會出現(xiàn)非試驗(yàn)件原因產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象，需要分析原因，及時排除故障[1-3]。由于缺乏對這類現(xiàn)象的分析研究，在試驗(yàn)過程中難以及時找出應(yīng)變異常的原因。因此，需要對該類問題進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，歸納總結(jié)異?，F(xiàn)象與產(chǎn)生原因的對應(yīng)關(guān)系，為異常應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析和故障排除提供依據(jù)，提高試驗(yàn)測量的效率。

本文模擬飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中常見的幾種異常情況[4-6]，通過設(shè)計試驗(yàn)，測量信號，對其進(jìn)行信息處理以提取測量系統(tǒng)的故障特征，根據(jù)故障特征確定測量系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障的類型，根據(jù)故障類型進(jìn)行維修更換，解除故障。通過對異常應(yīng)變數(shù)據(jù)及其產(chǎn)生原因的研究，形成異常應(yīng)變數(shù)據(jù)診斷分析指南，為異常應(yīng)變數(shù)據(jù)的快速分析和排除提供依據(jù)。

2 異常數(shù)據(jù)分類

應(yīng)變數(shù)據(jù)異常主要分為3類：完全失效、固定偏差和漂移偏差(如圖1所示)。其中，完全失效是指應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)突然失靈，測量值一直為某一常數(shù)；固定偏差主要是指傳感器的測量值與真實(shí)值相差某一恒定常數(shù)；漂移偏差是指應(yīng)變片測量值與真實(shí)值的差值隨著時間發(fā)生變化。

圖1 應(yīng)變片異常數(shù)據(jù)類型

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 試驗(yàn)件設(shè)計和應(yīng)變片布置

設(shè)計加工試驗(yàn)件：試驗(yàn)件長500mm，寬420mm，厚5mm。試驗(yàn)件一端貼有兩塊4號膠布帶(尺寸210mm×90mm)用于加載，另一端留有4個圓孔用于試驗(yàn)件固定(見圖2)。材料為Q235，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

(a)模型圖 (b)實(shí)物圖圖2 貼片模型圖和實(shí)物圖

本次試驗(yàn)采用的應(yīng)變片為中航工業(yè)電測儀器股份有限公司制造的BE120-4CA應(yīng)變片，其常溫電測性能見表1。

表1 應(yīng)變片參數(shù)

應(yīng)變片沿試驗(yàn)件縱向粘貼，等距離對稱粘貼，上表面粘貼16片，下表面粘貼12片(因?yàn)槟z布帶影響，第4行無法粘貼)，坐標(biāo)系定義和貼片模型圖見圖2(a)。以試驗(yàn)件長度方向作為X軸方向，試驗(yàn)件寬度方向作為Y軸方向，厚度方向作為Z軸方向，布片實(shí)物圖見圖2(b)。將試驗(yàn)件左半部分的貼片以“1”開頭，作為試驗(yàn)片，模擬各種異常情況。將試驗(yàn)件右半部分的貼片以“2”開頭，作為標(biāo)準(zhǔn)片。此應(yīng)變片粘貼工藝嚴(yán)格按照《常溫應(yīng)變計粘貼工藝規(guī)程》執(zhí)行，具體貼片部位見表2。

表2 部分貼片部位表

3.2 試驗(yàn)加載設(shè)計

本試驗(yàn)為壁板彎曲試驗(yàn)，讓壁板一端固支連接，另一端通過膠布帶施加豎直方向的拉力，圖3為試驗(yàn)加載的設(shè)計圖和實(shí)物圖。

(a)設(shè)計圖 (b)實(shí)物圖圖3 試驗(yàn)加載的設(shè)計圖和實(shí)物圖

4 應(yīng)變異常數(shù)據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)

在試驗(yàn)件對稱位置上，按照《常溫應(yīng)變計粘貼工藝規(guī)程》粘貼標(biāo)準(zhǔn)片，然后模擬靜力試驗(yàn)程序，逐級施加載荷，比較試驗(yàn)件對稱位置標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的應(yīng)變載荷曲線。數(shù)據(jù)表明，各對稱位置的應(yīng)變載荷曲線幾乎重合(如圖4所示)，對稱位置應(yīng)變大小相等，與理論計算一致。因此，當(dāng)改變試驗(yàn)片的應(yīng)變片粘貼工藝、測量線路狀態(tài)等情況時，如果試驗(yàn)片應(yīng)變值有別于標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變值，原因都應(yīng)當(dāng)歸咎于上述情況的改變。

圖4 試驗(yàn)加載的應(yīng)變載荷曲線

4.1 應(yīng)變片粘貼含有氣泡

在試驗(yàn)件的一側(cè)粘貼試驗(yàn)片時，用貼片紙置于應(yīng)變片與試驗(yàn)件之間(如圖5(a)所示)，待粘貼膠干后，將貼片紙抽出，原來貼片紙所占的部分因沒有膠水覆蓋，形成氣泡。其中，圖5(a)為含有貼片紙的試驗(yàn)片實(shí)物圖，圖5(b)為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片貼片實(shí)物圖。然后按以下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：(1)將試驗(yàn)件在承受20kg載荷的情況下，每30s測1次應(yīng)變數(shù)據(jù)，共測40次。比較有氣泡的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值。(2)模擬靜力試驗(yàn)程序，逐級施加載荷，比較有氣泡的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的應(yīng)變載荷曲線。

(a)含有貼片紙的試驗(yàn)片 (b) 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片貼片圖5 應(yīng)變片貼片實(shí)物圖

4.2 應(yīng)變片粘貼含有晶體顆粒

粘貼應(yīng)變片時，可能受外界污染含有晶體顆粒，晶體顆粒存在于應(yīng)變柵格與試驗(yàn)件之間。通過比較此情況與標(biāo)準(zhǔn)片的蠕變值和應(yīng)變載荷曲線，得出應(yīng)變測量值的表現(xiàn)特點(diǎn)及規(guī)律。按標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程打磨清洗，粘貼不含有晶體顆粒的應(yīng)變片作為標(biāo)準(zhǔn)片。在試驗(yàn)件的另一側(cè)粘貼應(yīng)變片時故意將幾顆晶體顆粒撒在試件上，使晶體顆粒存在于應(yīng)變柵格與試驗(yàn)件之間。將含有晶體顆粒的應(yīng)變片作為試驗(yàn)片。

4.3 焊點(diǎn)虛焊

虛焊是常見的一種線路故障，造成虛焊的原因有很多，在靜力試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼工作中，產(chǎn)生虛焊的原因主要有兩種：一種是在焊接過程中，粘貼工藝不當(dāng)(包括焊接時焊錫用量過少或過多，焊錫長時間高溫作用下變質(zhì)，強(qiáng)度降低等)；另外一種是防護(hù)不牢的焊點(diǎn)承受外力作用，產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象。

按標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程粘貼的應(yīng)變片作為標(biāo)準(zhǔn)片，在試驗(yàn)件的另一側(cè)對稱位置處，粘貼焊點(diǎn)虛焊的應(yīng)變片作為試驗(yàn)片。模擬靜力試驗(yàn)程序，逐級施加載荷到一定載荷后，逐級卸載至無載荷狀態(tài)，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。將試驗(yàn)件在承受20kg載荷的情況下，每分鐘測1次應(yīng)變數(shù)據(jù)，共測0.5h。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 應(yīng)變片粘貼含有氣泡

比較有氣泡的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的應(yīng)變載荷曲線，發(fā)現(xiàn)帶有氣泡的應(yīng)變片測量曲線線性好，重復(fù)性好，但是帶有氣泡的應(yīng)變片應(yīng)變絕對值在各級載荷下均小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。分析原因：帶有氣泡的應(yīng)變片因?yàn)闅馀荽嬖谟趹?yīng)變片與試驗(yàn)件之間，造成應(yīng)變片與試驗(yàn)件只有部分粘接。所測數(shù)據(jù)只能部分反映試驗(yàn)件的伸縮，因此有氣泡的應(yīng)變片應(yīng)變值絕對值在各級載荷下均小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。圖6為部分試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷對比曲線，表3為試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行3次試驗(yàn)，平均應(yīng)變數(shù)據(jù)誤差表。從表中可以看出，氣泡大小與應(yīng)變數(shù)據(jù)誤差率不存在直接關(guān)系。

圖6 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷對比曲線

應(yīng)變片編號數(shù)據(jù)誤差率氣泡寬度備注10226931．5%2mm試驗(yàn)片202392標(biāo)準(zhǔn)片10324918．6%4mm試驗(yàn)片203305標(biāo)準(zhǔn)片113-1239．4%4mm試驗(yàn)片213-135標(biāo)準(zhǔn)片114-9239．2%2mm試驗(yàn)片214-151標(biāo)準(zhǔn)片

比較有氣泡的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值。結(jié)果表明：帶有氣泡的應(yīng)變片應(yīng)變值絕對值小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值，其蠕變值曲線平穩(wěn)，與標(biāo)準(zhǔn)片的蠕變值應(yīng)變曲線線性一致。圖7為試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值對比曲線。同時用手指輕輕對應(yīng)變計施加力時，含有氣泡的應(yīng)變計電阻值就會發(fā)生變化，而去掉時，阻值很快就會恢復(fù)。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片無此現(xiàn)象。

圖7 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值對比曲線

5.2 應(yīng)變片粘貼含有晶體顆粒

數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)片測量數(shù)據(jù)曲線有一定程度的重復(fù)性，但是每次應(yīng)變載荷曲線都不嚴(yán)格重合，加載曲線與卸載曲線不對稱一致，卸載到零時，應(yīng)變值沒有回到零點(diǎn)位置。分析原因：應(yīng)變片與試驗(yàn)件之間的顆粒在隨試驗(yàn)件變形的過程中，發(fā)生滾動偏移，影響應(yīng)變片與試驗(yàn)件的跟隨性。圖8為部分試驗(yàn)片3次試驗(yàn)應(yīng)變載荷曲線圖。

圖8 試驗(yàn)片應(yīng)變載荷曲線圖

比較含有顆粒的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的應(yīng)變載荷曲線，發(fā)現(xiàn)含有顆粒的試驗(yàn)片測量數(shù)據(jù)雖有一定的線性規(guī)律，但是應(yīng)變值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。卸載后，應(yīng)變數(shù)據(jù)沒有回零。分析原因：顆粒阻礙應(yīng)變片與試驗(yàn)件的接合，減少粘貼面積，使其與試驗(yàn)件本身形變跟隨能力減弱，應(yīng)變值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變值，圖9為部分含有顆粒的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷曲線對比圖。比較含有顆粒的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值，結(jié)果表明，含有顆粒的應(yīng)變片應(yīng)變值絕對值小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。圖10為試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值對比曲線。

圖9 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷曲線對比圖

圖10 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值曲線對比圖

5.3 焊點(diǎn)虛焊

圖11為部分試驗(yàn)片3次試驗(yàn)應(yīng)變載荷曲線圖。數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)片測量數(shù)據(jù)曲線重復(fù)性差，隨機(jī)波動。分析原因：加載過程試件變形拉扯測量線。測量線受到拉扯后，會使薄弱的焊點(diǎn)虛焊處結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而使導(dǎo)線電阻發(fā)生改變，最后造成應(yīng)變數(shù)據(jù)隨機(jī)波動。

圖11 應(yīng)變載荷曲線圖

通過比較有虛焊的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的應(yīng)變載荷曲線，發(fā)現(xiàn)有虛焊的試驗(yàn)片測量曲線穩(wěn)定性差，隨時會隨機(jī)波動，然后又恢復(fù)到線性變化，卸載后不會回到零點(diǎn)。分析原因：因受外力，薄弱的焊點(diǎn)虛焊處結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，進(jìn)而使導(dǎo)線電阻發(fā)生改變，造成應(yīng)變數(shù)據(jù)隨機(jī)波動。圖12為焊點(diǎn)虛焊的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷曲線對比圖。

比較有虛焊的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值。結(jié)果表明：虛焊的應(yīng)變片蠕變值曲線平穩(wěn)性差，隨機(jī)性強(qiáng)，有的試驗(yàn)片數(shù)據(jù)曲線穩(wěn)定性與標(biāo)準(zhǔn)片無異；有的試驗(yàn)片數(shù)據(jù)曲線雖有一定穩(wěn)定性，但是數(shù)據(jù)變化范圍遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片；有的試驗(yàn)片數(shù)據(jù)曲線毫無穩(wěn)定性，隨著時間的變化應(yīng)變值一直增大或減小。圖13為部分試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值曲線對比圖。

圖12 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片應(yīng)變載荷曲線對比圖

圖13 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片蠕變值曲線對比圖

將試驗(yàn)件在沒有承受載荷的情況下，每分鐘測1次應(yīng)變數(shù)據(jù)，共測20次。比較有虛焊的應(yīng)變片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的零漂值(如圖14所示)。結(jié)果表明：虛焊的應(yīng)變值曲線在試驗(yàn)開始初期與標(biāo)準(zhǔn)片差別不大，但是受到一定激勵后，虛焊的試驗(yàn)片應(yīng)變值曲線就會大幅度波動，當(dāng)激勵消失后，數(shù)據(jù)又恢復(fù)平穩(wěn)，即不同程度的漂移。

由此可得，焊點(diǎn)虛焊使應(yīng)變數(shù)據(jù)失真，在試驗(yàn)過程中為無效數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)排除。但是，在試驗(yàn)初始加載狀態(tài)下，測量設(shè)備檢測不出此類故障，只能從應(yīng)變載荷曲線圖中推測得出。

圖14 試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)片零漂值曲線對比圖

6 結(jié) 論

(1)含有氣泡的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值曲線線性一致，試驗(yàn)片的應(yīng)變絕對值小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。含有氣泡的試驗(yàn)片應(yīng)變絕對值在各級載荷下均小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。分析原因：帶有氣泡的應(yīng)變片因?yàn)闅馀荽嬖谟趹?yīng)變片與試驗(yàn)件之間，造成應(yīng)變片與試驗(yàn)件只有部分粘接，所測數(shù)據(jù)只能部分反映試驗(yàn)件的響應(yīng)。

(2)含有顆粒的試驗(yàn)片與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片的蠕變值曲線線性一致。試驗(yàn)片的應(yīng)變絕對值小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。含有顆粒的試驗(yàn)片應(yīng)變數(shù)據(jù)應(yīng)變值小于標(biāo)準(zhǔn)片的應(yīng)變值。卸載后，應(yīng)變數(shù)據(jù)沒有回到零應(yīng)變。分析原因：應(yīng)變片與試驗(yàn)件之間的顆粒在隨試驗(yàn)件變形的過程中，發(fā)生滾動偏移，影響應(yīng)變片與試驗(yàn)件的跟隨性。

(3)焊點(diǎn)虛焊的試驗(yàn)片蠕變值曲線平穩(wěn)性差，隨機(jī)性強(qiáng)。焊點(diǎn)虛焊的試驗(yàn)片應(yīng)變載荷曲線可靠性差，隨機(jī)波動，卸載后應(yīng)變值沒有回到零點(diǎn)。分析原因是，加載過程中，因?yàn)檩d荷加載造成試件變形進(jìn)而拉扯測量線。測量線受到拉扯后，使薄弱的焊點(diǎn)虛焊處結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)線電阻發(fā)生改變，最終造成應(yīng)變數(shù)據(jù)隨機(jī)波動。

[1]徐順飛.靜態(tài)應(yīng)變測量的誤差分析[J].直升機(jī)技術(shù),2010,(1):47-51.

[2]葉川,伍川輝,張嘉怡.計量測試中異常數(shù)據(jù)剔除方法比較[J].計量與測試技術(shù),2007,34(7):25-26.

[3]段上為,吳產(chǎn)樂,等.綜合評判中異常數(shù)據(jù)的處理及實(shí)現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報,1999,45(1):57-60.

[4]胡玉梅,張方建,邵毅敏,等.應(yīng)變片敏感柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對測量精度的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2013,36(12):21-27.

[5]尹福炎.電阻應(yīng)變片與應(yīng)變傳遞原理研究[J].科技應(yīng)用,2010,(2):01-08.

[6]Daley D.J.,and Vere-Jones D.(1998) An Introduction to the Theory of Point Processes[C].Springer-Verlag:New York.

Study on Fault Diagnosis for Abnormal Strain Data in Aircraft Strength Test

Han Kai, He Qian, Zuo Jia

(Aircraft Strength Research Institute Aviation Technology, Key Laboratory of Full Scale Aircraft Structure Static and Fatigue Test, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In this paper, the abnormal strain data generated because of the measuring circuits in aircraft strength test are analyzed. Through the simulation test, the strain data are measured, and the strain data are analyzed to extract the fault feature. The abnormal strain data and the correspondence of abnormal data with the reasons are summarized, which provides the basis for rapid analysis and troubleshooting for the abnormal strain data.

aircraft strength test; abnormal measuring circuit; strain data

2016-08-22

韓 凱(1985-)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究。

V216.1+1

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.003