石元華，王勇軍

（成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091）

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的高速機(jī)動(dòng)大攻角飛行被視為重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。大攻角飛行，由機(jī)頭、鴨翼、機(jī)翼邊條等產(chǎn)生脫體渦，垂尾、平尾等部件正好處于脫體渦發(fā)展區(qū)域。脫體渦破裂，形成隨機(jī)脈動(dòng)壓力作用在垂尾、平尾等關(guān)鍵部件上，使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)即抖振。當(dāng)脈動(dòng)壓力的頻率分布包絡(luò)垂尾、平尾的特征頻率，抖振的振動(dòng)量值將更多地由結(jié)構(gòu)共振提供。美國(guó)F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)起初服役不到1000 飛行小時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)次大攻角飛行后，在垂尾根部機(jī)身框上產(chǎn)生了疲勞裂紋，而全尺寸疲勞試驗(yàn)進(jìn)行約15 000 h 才在相似區(qū)域發(fā)現(xiàn)裂紋[1]。垂尾、平尾等關(guān)鍵部件的疲勞問(wèn)題不再是單純的動(dòng)態(tài)或常規(guī)疲勞，需考慮機(jī)動(dòng)載荷與動(dòng)態(tài)抖振載荷的疊加效應(yīng)。

考慮常規(guī)載荷與抖振載荷的疲勞試驗(yàn)有兩種方案：一種是模擬實(shí)際抖振形式，采用氣囊模擬機(jī)動(dòng)載荷，在此基礎(chǔ)上采用激振器或振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)使得試驗(yàn)件關(guān)鍵響應(yīng)點(diǎn)振動(dòng)量值與飛行實(shí)測(cè)值一致；另一種是將動(dòng)態(tài)抖振載荷等效到準(zhǔn)靜態(tài)載荷上，再與常規(guī)載荷疊加，理論上已有比較明確的等效方法，但還有大量基礎(chǔ)工作要做。

澳大利亞航空與航海研究試驗(yàn)室（AMRL）開(kāi)發(fā)了一套全尺寸疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，采用振動(dòng)產(chǎn)生抖振載荷與機(jī)動(dòng)載荷疊加來(lái)模擬F/A-18 飛機(jī)典型飛行工況[2-3]。該系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，有60 多個(gè)不同類(lèi)型的激勵(lì)器、112 通道抖振載荷數(shù)據(jù)采集、490 通道機(jī)動(dòng)載荷數(shù)據(jù)采集、8 臺(tái)激振器、動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，實(shí)施中還需要解耦設(shè)計(jì)和保護(hù)策略。國(guó)內(nèi)學(xué)者考慮隨機(jī)性，在概率統(tǒng)計(jì)上以概率距離最小為目標(biāo)進(jìn)行同類(lèi)型加載方式下載荷譜的等效濃縮[4]。

文獻(xiàn)[5]詳述了我國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)中攻克的諸多抖振相關(guān)的技術(shù)，其中V 尾抖振動(dòng)態(tài)疲勞載荷譜編制方法與試驗(yàn)實(shí)施方案即是方案二思路。該方案根據(jù)損傷等效理論，將抖振載荷等效為若干典型循環(huán)，進(jìn)而大幅縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)復(fù)雜度。該方法理論明確，公開(kāi)資料顯示，對(duì)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證工作鮮有報(bào)道。

為簡(jiǎn)化疊加機(jī)動(dòng)和抖振載荷的V 尾疲勞試驗(yàn)提供支撐，文中創(chuàng)造性地開(kāi)展抖振載荷譜等效簡(jiǎn)化方法的試驗(yàn)研究工作，形成有效的試驗(yàn)規(guī)程，并提出了驗(yàn)證試驗(yàn)的改進(jìn)方案。

1 試驗(yàn)原理

采用模擬抖振響應(yīng)的疲勞試驗(yàn)，其設(shè)備復(fù)雜，試驗(yàn)周期長(zhǎng)。采用等效簡(jiǎn)化的方法能降低試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜度和大幅縮短試驗(yàn)時(shí)間。對(duì)等效簡(jiǎn)化方法開(kāi)展了試驗(yàn)研究，其邏輯流程如圖1 所示。抖振是典型的窄帶隨機(jī)振動(dòng)，響應(yīng)的峰/谷幅值服從高斯分布，幅值的概率密度函數(shù)為瑞利分布。將瑞利分布分區(qū)，并選取3種典型的抖振載荷幅值（2σ、3σ、4σ）?；赟-N曲線和Miner 損傷累計(jì)準(zhǔn)則，將各區(qū)的總損傷等效到相應(yīng)的載荷幅值上，進(jìn)而得到各載荷幅值的循環(huán)數(shù)，再按照一定順序組合成載荷譜[5]。與常規(guī)疲勞試驗(yàn)類(lèi)似，這種由穩(wěn)定幅值段組成的載荷譜能夠以較低的頻率施加給試驗(yàn)件，獲得疲勞壽命時(shí)間tS。相應(yīng)地，進(jìn)行抖振模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用合適的激勵(lì)信號(hào)、帶寬和量值使試件產(chǎn)生與抖振響應(yīng)一致的信號(hào)特征，獲取動(dòng)態(tài)疲勞壽命時(shí)間tD。通過(guò)對(duì)tS與tD的分析，判斷簡(jiǎn)化方法的可行性和合理性。

試驗(yàn)中的誤差是典型載荷幅值循環(huán)數(shù)獲取，模擬抖振和準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)方法以及偏載的施加方式，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。將抖振載荷等效到典型載荷幅值計(jì)算公式：

式中：b為Miner 系數(shù)；t為模擬抖振試驗(yàn)時(shí)間；N0為隨機(jī)振動(dòng)單位時(shí)間平均應(yīng)力峰值數(shù)；p kσ為典型載荷kσ的循環(huán)數(shù)；σR為隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力均方根值；k=2、3、4。

圖1 抖振載荷譜等效簡(jiǎn)化方法試驗(yàn)流程Fig.1 Test flow chart of equivalent simplification of buffeting load spectrum

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)規(guī)劃與試驗(yàn)件

等效驗(yàn)證試驗(yàn)規(guī)劃有無(wú)偏載、4 N 和10 N 偏載載荷，依據(jù)HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》，單項(xiàng)試驗(yàn)試驗(yàn)件不少于5 件。試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)如如圖2 所示，材料為2124-T851。

圖2 試驗(yàn)件Fig.2 Test sample

2.2 模擬抖振疲勞試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)抖振疲勞屬于窄帶高斯隨機(jī)激勵(lì)的動(dòng)態(tài)疲勞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)這類(lèi)隨機(jī)振動(dòng)疲勞有研究。文獻(xiàn)[6-7]研究了包含特征頻率的穩(wěn)態(tài)高斯、穩(wěn)態(tài)非高斯和非穩(wěn)態(tài)非高斯窄帶隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)對(duì)疲勞壽命的影響，并指出了頻域損傷計(jì)算方法的適用性。文獻(xiàn)[8]給出了壽命預(yù)估公式，并采用懸臂缺口試件進(jìn)行了單軸或多軸隨機(jī)振動(dòng)加速疲勞壽命試驗(yàn)。國(guó)防科技大學(xué)采用6061-T6 材料進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)加速疲勞試驗(yàn)方法研究，指出加速度PSD 幅值不變的高斯信號(hào)激勵(lì)，譜帶寬和均方根值對(duì)疲勞壽命的影響有限，對(duì)于非高斯信號(hào)，峭度和帶寬對(duì)疲勞壽命影響明顯[9]。文中的重點(diǎn)是驗(yàn)證簡(jiǎn)化方法的有效性，采用高斯信號(hào)，并將隨機(jī)加速度激勵(lì)譜的PSD 幅值、帶寬、峭度固定。采用橡膠繩懸掛砝碼方式施加偏載。隨機(jī)激勵(lì)譜如圖3所示。

圖3 模擬抖振疲勞試驗(yàn)譜Fig.3 Simulated buffeting fatigue test spectrum

試驗(yàn)在小型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，如圖4 所示，操作步驟為：先用小加速度量值進(jìn)行正弦掃頻，采集激勵(lì)加速度和試件相應(yīng)位置應(yīng)變，求得傳遞函數(shù)，獲取特征頻率f1；然后按圖3 的試驗(yàn)譜設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，監(jiān)測(cè)應(yīng)變信號(hào)。當(dāng)特征頻率f1減小2%時(shí)，即認(rèn)為有裂紋產(chǎn)生，檢查確認(rèn)試驗(yàn)過(guò)程是否正常，記錄疲勞壽命有效時(shí)間tD。

圖4 模擬抖振試驗(yàn)Fig.4 The site of simulated buffeting test

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)

模擬抖振疲勞試驗(yàn)件是懸臂彎曲振動(dòng)形態(tài)，進(jìn)行等效簡(jiǎn)化后的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)件變形形態(tài)也應(yīng)與其保持一致，加載精度為2%。文中開(kāi)發(fā)了一套基于小型振動(dòng)臺(tái)的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)[10]，采用橡膠繩懸掛砝碼方式施加偏載，設(shè)計(jì)帶力傳感器的柔性激振桿激勵(lì)試驗(yàn)件，激振桿與試驗(yàn)件鉸接，試驗(yàn)如圖 5所示。

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)Fig.5 The site of quasi-static fatigue test

試驗(yàn)中激勵(lì)頻率為10 Hz，激振桿需要特殊設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足加載精度和穩(wěn)定性，主要有屈曲、應(yīng)力和模態(tài)分析。操作步驟為：振動(dòng)臺(tái)通電，使得動(dòng)圈復(fù)位，安裝試驗(yàn)件，調(diào)整試驗(yàn)件位置以確保激振桿與試件能正確連接，并緊定試驗(yàn)件安裝和激振桿連接螺栓；然后小量值正弦位移激勵(lì)，分析力和應(yīng)變幅值，根據(jù)分析設(shè)置激勵(lì)譜程序塊進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的幅值減小5%，即認(rèn)為試驗(yàn)件產(chǎn)生裂紋，檢查試驗(yàn)件確認(rèn)裂紋，記錄激勵(lì)譜循環(huán)時(shí)間tS。

3 試驗(yàn)結(jié)果與改進(jìn)

無(wú)偏載、4 N 和10 N 偏載等效驗(yàn)證試驗(yàn)共進(jìn)行了44 件試驗(yàn)，疲勞壽命及均值統(tǒng)計(jì)如圖6 所示。可以看出，無(wú)偏載的等效結(jié)果吻合度較高，考慮疊加偏載，等效結(jié)果也較吻合。隨偏載量值增加，疲勞壽命時(shí)間相應(yīng)增加，原因是偏載的施加使試驗(yàn)件動(dòng)應(yīng)力均方根值減小。有偏載時(shí)，抖振疲勞與準(zhǔn)靜態(tài)疲勞壽命均值的偏差較無(wú)偏載時(shí)增大，這與采用橡膠繩施加偏載增大系統(tǒng)阻尼有關(guān)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)分析與總結(jié)，提出如下改進(jìn)措施。

圖6 模擬抖振和準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)件壽命統(tǒng)計(jì)Fig.6 Life statistics of test pieces for simulated buffeting test and quasi-static fatigue test

1）對(duì)偏載施加方式進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)細(xì)長(zhǎng)彈簧（約1 m）替代橡膠繩，既降低系統(tǒng)阻尼和附加慣性質(zhì)量的影響，又減小了偏載的波動(dòng)。

2）高應(yīng)力區(qū)應(yīng)變計(jì)壽命短，采用激光測(cè)振儀全程測(cè)量應(yīng)變計(jì)的加速度。試驗(yàn)初期，建立加速度與應(yīng)變的傳遞函數(shù)。應(yīng)變計(jì)失效后，可根據(jù)加速度信號(hào)逆推測(cè)點(diǎn)應(yīng)變[11]，間接獲取全程應(yīng)力，提高等效載荷譜編制精度。

3）激振桿與試驗(yàn)件連接改為夾持連接。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)抖振疲勞載荷譜等效方法開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作，采用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)高斯激勵(lì)模擬抖振特征，并獲取了疲勞壽命。開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)疲勞試驗(yàn)裝置進(jìn)行等效準(zhǔn)靜態(tài)疲勞的試驗(yàn)研究，設(shè)置了多組不同偏載量值的試驗(yàn)，分析了模擬抖振和準(zhǔn)靜態(tài)疲勞壽命分布，結(jié)果基本一致，表明等效方法有效。最后根據(jù)試驗(yàn)總 結(jié)提出了明確的試驗(yàn)改進(jìn)措施，待后續(xù)采用結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)模擬試驗(yàn)件進(jìn)行深入研究。