張清勇，李宏亮

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西?西安?710065）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)是目前國(guó)內(nèi)外航空界驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞性能，獲得結(jié)構(gòu)疲勞裂紋生成和裂紋擴(kuò)展壽命的主要方法，是確定飛機(jī)使用壽命、檢修周期、檢修方法的重要依據(jù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，盡早發(fā)現(xiàn)主要受力構(gòu)件的疲勞裂紋直接關(guān)系到試驗(yàn)件的安全和試驗(yàn)的成敗[1-2]。

應(yīng)變測(cè)量和數(shù)據(jù)采集是獲取試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的關(guān)鍵反饋。全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)件施加應(yīng)力得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，估算機(jī)體出現(xiàn)裂紋的部位及材料產(chǎn)生疲勞的時(shí)間等數(shù)據(jù)，為飛機(jī)使用安全及進(jìn)場(chǎng)檢修提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考[3]。因此，應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是飛機(jī)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵前提。影響應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)確性的因素較多，若不仔細(xì)分析并采取有效措施，就可能帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。從測(cè)量系統(tǒng)的組成來(lái)看，它由應(yīng)變計(jì)、導(dǎo)線、測(cè)量?jī)x器三部分組成，在分析測(cè)量誤差時(shí)必須分別加以考慮。凡屬系統(tǒng)誤差，可采用修正或校準(zhǔn)的方法消除，凡屬隨機(jī)誤差，則需進(jìn)行估算，然后進(jìn)行綜合得出總的測(cè)量誤差[4]。

在飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些非試驗(yàn)件自身原因引起的“臺(tái)階”現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)其產(chǎn)生的各種因素進(jìn)行詳細(xì)分析研究，提出了改變接線方式和縮短調(diào)零時(shí)間等方法，提高了疲勞試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確度，對(duì)于提高我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)具有重要意義。

1??異常“臺(tái)階”現(xiàn)象描述

在某型飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中，測(cè)控人員在分析疲勞試驗(yàn)全程跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間段內(nèi)同一載荷級(jí)數(shù)下的應(yīng)變數(shù)據(jù)存在明顯的“臺(tái)階”。如圖1所示。

全面觀察2317009應(yīng)變點(diǎn)在某日試驗(yàn)中的測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在12h中測(cè)量數(shù)據(jù)總趨勢(shì)發(fā)生了比較大的變化，如圖2所示。

圖1 281載荷級(jí)數(shù)下點(diǎn)2317009應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)

圖2 點(diǎn)2317009某日試驗(yàn)中的全部測(cè)量曲線

疲勞試驗(yàn)中，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)疲勞損傷情況下，同一載荷級(jí)數(shù)下應(yīng)變曲線應(yīng)維持在一個(gè)特定水平，并保持不變。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常，且加載反饋正常，因此，有理由懷疑應(yīng)變數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)異常。

2??異常分析

2.1??溫漂試驗(yàn)

通常情況下，采集系統(tǒng)溫漂是產(chǎn)生“臺(tái)階”現(xiàn)象的主要原因，因此，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行溫漂試驗(yàn)。

試驗(yàn)1：采集系統(tǒng)連接應(yīng)變片，不加載荷，每隔1min測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量10h，應(yīng)變點(diǎn)2317009的測(cè)量曲線如圖3所示。

圖3 應(yīng)變點(diǎn)2317009溫漂測(cè)量曲線

從圖2和圖3可以看到，試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)趨勢(shì)的變化是溫漂造成的，但不能確定是測(cè)量設(shè)備還是應(yīng)變片接入電路溫漂造成。

試驗(yàn)2：對(duì)包括2317009應(yīng)變點(diǎn)在內(nèi)的6個(gè)機(jī)箱共6個(gè)放大器連接標(biāo)準(zhǔn)電阻，不加載荷，每隔1min測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量10h，應(yīng)變點(diǎn)2317009所在通道的測(cè)量曲線如圖4所示。

圖4 點(diǎn)2317009所在通道接標(biāo)準(zhǔn)電阻溫漂測(cè)量曲線

從圖4可以看出，點(diǎn)2317009所在通道接標(biāo)準(zhǔn)電阻后不再出現(xiàn)大的溫漂，說(shuō)明異常不是由測(cè)量設(shè)備造成的。

對(duì)2317009點(diǎn)所在的25號(hào)機(jī)箱的橋壓進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，曲線如圖5所示。

圖5 25號(hào)機(jī)箱橋壓全程監(jiān)測(cè)曲線

可以看到，橋壓變化不超過(guò)3mV，滿足測(cè)量設(shè)備橋壓要求[4]，因此橋壓不是造成“臺(tái)階”的原因。

通過(guò)抽取了一些零漂比較大的通道，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，這些通道的零點(diǎn)值都比較大，25號(hào)箱49-64通道零點(diǎn)值見(jiàn)表1。

究其原因，這些應(yīng)變測(cè)點(diǎn)都沒(méi)有嚴(yán)格按照1/4橋三線制的接線方式接線，而是以兩線制從應(yīng)變片引出較長(zhǎng)導(dǎo)線后，再以三線制接線方式接入采集系統(tǒng)。這種接線方式，零點(diǎn)值都會(huì)出現(xiàn)較大的偏移。通過(guò)分析兩線制和三線制機(jī)理，可以得出這樣的結(jié)論，測(cè)量數(shù)據(jù)的臺(tái)階是由溫漂造成的，溫漂又是由兩線連接造成的。

表1 25號(hào)箱49-64通道的零點(diǎn)值

2.2??兩線制和三線制溫漂

疲勞試驗(yàn)中，將應(yīng)變片粘貼至待測(cè)試驗(yàn)部段上，若部段在載荷F的作用下發(fā)生形變，通過(guò)應(yīng)變片的基底，粘結(jié)劑傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使敏感柵的電阻發(fā)生改變，設(shè)應(yīng)變片電阻為Rg，靈敏系數(shù)為k，試驗(yàn)件形變引起的Rg電阻變化量為ΔRg。應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系表達(dá)式為：

目前試驗(yàn)中應(yīng)用的應(yīng)變電測(cè)方法以惠斯特1/4電橋?yàn)槔碚摶A(chǔ)，根據(jù)應(yīng)變片計(jì)入橋路方式的不同，將應(yīng)變測(cè)量分為兩線制和三線制。圖6和圖7分別是兩線制和三線制橋路連接示意圖，其中E為激勵(lì)電壓，R2和R3為分壓電阻，阻值為R，Rg為應(yīng)變片電阻，R4為匹配電阻，R4≈Rg。

在圖6中，應(yīng)變片Rg通過(guò)兩根阻值為Rf的引線接入橋路，當(dāng)Rg變化ΔR，橋路輸出電壓為：

在兩線制中，引線Rf的接入使儀器測(cè)量的應(yīng)變?chǔ)艃x不是試驗(yàn)件實(shí)際發(fā)生的應(yīng)變?chǔ)牛囼?yàn)件發(fā)生變形時(shí)，ε儀與電阻變化率的關(guān)系為：

由公式（1）和（3），得到兩線制連接時(shí)的應(yīng)變計(jì)算公式：

可以看出，運(yùn)用兩線制進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，試驗(yàn)件實(shí)際發(fā)生的應(yīng)變?chǔ)排c引線電阻Rf是相關(guān)的線性函數(shù)，當(dāng)引線短時(shí)不會(huì)有很大問(wèn)題，但是導(dǎo)線如果變長(zhǎng)時(shí)，其影響不可以忽略。

圖6 兩線制連接圖

通過(guò)三線制接線法改善了此問(wèn)題點(diǎn)，如圖7所示通過(guò)3根導(dǎo)線延長(zhǎng)至電橋電路，通過(guò)此方法接線時(shí)，與兩線制不同的導(dǎo)線的電阻r1串聯(lián)至應(yīng)變片Rg，r2與R2串聯(lián)，由于被串聯(lián)到電橋電路的鄰邊，所以r1和r2、溫漂引起的Δr1和Δr2被相互抵消。由于r3在電橋電路的外側(cè)（輸出端），所以基本沒(méi)有影響。

圖7 三線制連接圖

3??異常解決方法

當(dāng)前試驗(yàn)的應(yīng)變片已經(jīng)連接好，再做改變已不可能，在這種情況下，縮短試驗(yàn)調(diào)零的周期，可有效消除溫漂的影響。

通過(guò)軟件設(shè)置，使得疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量每2h自動(dòng)調(diào)零一次，測(cè)量數(shù)據(jù)的“臺(tái)階現(xiàn)象”得到了明顯的改善，如圖8所示。

圖8 點(diǎn)2317009兩小時(shí)調(diào)零的測(cè)量曲線

可以看到，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的溫漂已經(jīng)有明顯的改變，需要注意的是，前兩個(gè)小時(shí)的溫漂還是比較大，這是由于儀器在補(bǔ)片后重新供電造成的，所以，建議在儀器斷電后重新供電時(shí)，調(diào)零的時(shí)間間隔要更小一些。

4??總結(jié)

針對(duì)疲勞試驗(yàn)中應(yīng)變采集系統(tǒng)在實(shí)際使用中遇到的“臺(tái)階”現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的原理及接線方式的分析，得到產(chǎn)生異常的根本原因，并通過(guò)改變接線方式和縮短調(diào)零時(shí)間等方法，消除了“臺(tái)階”故障現(xiàn)象，該方法解決了飛機(jī)疲勞試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)異常，提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確度。多次實(shí)際使用結(jié)果表明，后續(xù)系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)符合飛機(jī)疲勞試驗(yàn)要求，因此，該法能夠在型號(hào)疲勞試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。