柴東波，楊東濤，郭曉冬

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

1 引 言

結(jié)構(gòu)的疲勞試驗作為飛機(jī)研制過程中重要的地面驗證試驗，其目的在于驗證機(jī)體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計使用壽命要求，驗證飛機(jī)疲勞關(guān)鍵件的耐久性和損傷容限分析結(jié)果，暴露結(jié)構(gòu)疲勞薄弱部位，挖掘飛機(jī)設(shè)計使用壽命潛力，為制定合理的使用維護(hù)和修理方案提供依據(jù)[1]。疲勞試驗中，將幾百種載荷工況按照一定的順序和頻次組合，構(gòu)成載荷譜，再通過一套加載系統(tǒng)按照載荷譜將疲勞交變載荷施加在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，模擬飛機(jī)在整個服役期內(nèi)可能遇到的各種空中、地面使用情況[2]。飛機(jī)疲勞試驗至少完成2.5倍以上使用壽命試驗，通常試驗周期為5～10年[3]。

目前，安剛[4-7]等人提出的多種異常疲勞試驗數(shù)據(jù)的判斷及分析方法均為試驗后的數(shù)據(jù)處理和分析，對疲勞試驗過程中可能出現(xiàn)的損傷不能及時發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控只能監(jiān)控少量關(guān)鍵的數(shù)據(jù)曲線，不能有效地掌握所有測量點的異常變化趨勢。因此，需要一套能夠?qū)崟r進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，并對異常試驗數(shù)據(jù)實時預(yù)警的系統(tǒng)。

本文采用C#語言作為開發(fā)語言開發(fā)了一款飛機(jī)疲勞試驗實時預(yù)警系統(tǒng)軟件，可以實現(xiàn)對疲勞試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)試驗過程中的異常試驗數(shù)據(jù)，提出疑似損傷部位，指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測，盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷并采取有效的維修方案，可以大幅降低維修成本，縮短維修周期和疲勞試驗周期。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 獲取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

現(xiàn)代飛機(jī)采用耐久性和損傷容限設(shè)計，從開始服役到首翻期前，結(jié)構(gòu)萌生可檢損傷的概率很小[6]；而疲勞試驗的設(shè)備在經(jīng)過一段時間調(diào)試之后會進(jìn)入一個平穩(wěn)運(yùn)行的階段，此時每個載荷狀態(tài)所對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)理論上是穩(wěn)定的。因此，可以選取試驗平穩(wěn)運(yùn)行后的某些起落作為樣本數(shù)據(jù)，計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

飛機(jī)疲勞試驗實時預(yù)警系統(tǒng)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的獲取依托于飛機(jī)疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。試驗人員根據(jù)試驗運(yùn)行情況，選取平穩(wěn)運(yùn)行一段時間的試驗數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，剔除失效測量點后，基于拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ-rule)計算全部或部分載荷工況的各點平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。失效測量點判斷依據(jù)[5]為：

(1)測量結(jié)果超大(超出材料極限強(qiáng)度的應(yīng)變值、超出采集系統(tǒng)允許的最大量程、超出應(yīng)變計的最大量程)；

(2)測量結(jié)果跳躍(對于同一載荷狀態(tài)大范圍無規(guī)律的異常跳動)；

(3)測量結(jié)果為零。

2.2 試驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控

飛機(jī)疲勞試驗實時預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊提供3種預(yù)警方法：平均值+標(biāo)準(zhǔn)差、平均值+相對誤差、平均值+絕對誤差。數(shù)據(jù)預(yù)警以可視化的曲線形式在窗口顯示，并在預(yù)警信息欄進(jìn)行提示。

3 系統(tǒng)分析與設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

依托飛機(jī)疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對選定樣本數(shù)據(jù)計算全部或選定工況和測量點的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，為試驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)平均值+標(biāo)準(zhǔn)差、平均值+相對誤差、平均值+絕對誤差3種預(yù)警方法的試驗數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

飛機(jī)疲勞試驗實時預(yù)警系統(tǒng)用于對試驗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，對異常試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時預(yù)警，主要包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊。

(1)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取模塊。依托于飛機(jī)疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，試驗人員對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除失效測量點，獲取樣本數(shù)據(jù)各個工況和測量點的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊。試驗人員通過對樣本數(shù)據(jù)的分析，選取合適的預(yù)警方法并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，將異常試驗數(shù)據(jù)推送至軟件曲線顯示界面，并在預(yù)警信息欄進(jìn)行提示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取模塊

運(yùn)行系統(tǒng)軟件的同目錄下的setting.config文件，存儲要連接的服務(wù)器IP地址、登錄的用戶名和密碼，具體如圖1所示。

圖1 setting.config文件

軟件運(yùn)行，根據(jù)setting.config文件的配置連接服務(wù)器。如果setting.config文件不存在，則根據(jù)默認(rèn)設(shè)置連接本地SQL server數(shù)據(jù)庫，同時生成setting.config文件。服務(wù)器連接成功后，軟件會自動搜索服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫，連接要操作的數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫連接

數(shù)據(jù)庫連接成功后，搜索試驗工況和應(yīng)變片信息并對軟件進(jìn)行初始化：工具欄的第一個列表框顯示數(shù)據(jù)庫中存在的試驗工況；第二個列表框顯示數(shù)據(jù)庫中存在的測量點編號。具體如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取模塊主界面

平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的獲取模塊依據(jù)下列流程實現(xiàn)，具體如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取模塊實現(xiàn)流程

(1)連接數(shù)據(jù)庫；

(2)讀取選定試驗工況(默認(rèn)為數(shù)據(jù)庫中的全部試驗工況)；

(3)讀取失效測量點或選定測量點(默認(rèn)為數(shù)據(jù)庫中的全部測量點)；

(4)建立標(biāo)準(zhǔn)譜，即計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算完畢后在軟件同目錄輸出平均值和標(biāo)準(zhǔn)差兩個文本數(shù)據(jù)文件。

4.2 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊

在實際的試驗過程中，環(huán)境的溫度、濕度，傳感器的精度，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差，加載控制系統(tǒng)的誤差等因素將引起試驗數(shù)據(jù)變化[1]。試驗人員根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，選擇合適的數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)警方法，設(shè)定合適的閾值參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，對異常的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊依據(jù)下列流程實現(xiàn)，具體如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊實現(xiàn)流程

(1)運(yùn)行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控軟件。

(2)設(shè)定數(shù)據(jù)塊格式。

(3)設(shè)定各文件的存儲路徑，包括位移測量點編號文件、標(biāo)準(zhǔn)差文件、平均值文件、載荷譜文件和數(shù)據(jù)塊文件。

(4)選擇預(yù)警方法，并設(shè)定相對應(yīng)的參數(shù)閾值；設(shè)定開始監(jiān)控的數(shù)據(jù)塊編號、是否減零、試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警的超差次數(shù)(如圖6)所示。

圖6 預(yù)警信息設(shè)置

(5)讀取測量點編號(默認(rèn)為平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及數(shù)據(jù)塊文件中共有的測量點編號)。

(6)開始試驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

數(shù)據(jù)實時監(jiān)控模塊開始運(yùn)行之后，系統(tǒng)自動讀取實時試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的預(yù)警方法和設(shè)定參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對異常試驗數(shù)據(jù)以曲線形式進(jìn)行顯示。試驗人員可以自主設(shè)定主界面顯示曲線形式：(1)所有工況的歷程曲線；(2)某一載荷工況的歷程曲線，如圖7所示。同時，預(yù)警信息欄顯示預(yù)警測量點數(shù)量和當(dāng)前的塊號、行號、載荷工況等信息。

圖7 數(shù)據(jù)實時監(jiān)控主界面

5 結(jié) 論

飛機(jī)疲勞試驗實時預(yù)警系統(tǒng)是基于對飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)監(jiān)控的需求，依托于飛機(jī)疲勞試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)的一款試驗數(shù)據(jù)實時處理、分析并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警的軟件。本系統(tǒng)可有效地對疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)試驗過程中的異常試驗數(shù)據(jù)，定位疑似結(jié)構(gòu)損傷測量點，有效指導(dǎo)現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)損傷檢測，盡早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。目前，該系統(tǒng)已在全尺寸復(fù)合材料機(jī)身筒段損傷容限試驗中成功應(yīng)用。