徐春雨，陸 琪，黃 勇

(上海飛機設計研究院, 上海 201210)

載荷譜是飛機結(jié)構(gòu)設計和強度校核以及飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命預測的基礎[1]。民用飛機飛行載荷譜是指飛行過程中實測的一系列與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)，反映了飛機飛行過程中所經(jīng)歷的真實受載情況。因此通過對飛行載荷譜的研究，可以獲得飛機結(jié)構(gòu)真實的使用壽命情況，并可用于民用飛機單機疲勞損傷評定及維修檢查間隔的定制及優(yōu)化。然而，隨著近些年實測記錄參數(shù)及數(shù)據(jù)點的快速增多[2]，形成了海量的實測數(shù)據(jù)，其處理過程非常復雜，需耗費大量的人力和物力。

目前，常用的飛行載荷譜低載截除方法尚局限于經(jīng)驗方法，經(jīng)驗方法中各種飛機的載荷譜數(shù)據(jù)截除標準和方法也不一樣[3-7]，不具有通用性。本文針對民用飛機飛行載荷譜，提出了一種“四點法”數(shù)據(jù)清洗方法，該方法在保證載荷次序不變的基礎上，能夠有效截除對疲勞損傷影響較小的載荷循環(huán)，從而大大提高數(shù)據(jù)處理的效率。

1 峰谷值提取

民用飛機飛行載荷譜種類眾多，包括速度、高度、重心法向過載系數(shù)、馬赫數(shù)等，在進行載荷譜峰谷值提取時，提取方法是相同的。載荷譜峰谷值提取遵循以下規(guī)則：

1)在載荷歷程的上升段，只保留上升段最高處的峰值，剔除中間的數(shù)據(jù)點；

2)在載荷歷程的下降段，只保留下降段最低處的谷值，剔除中間的數(shù)據(jù)點。

以飛機重心法向過載譜為例，其載荷歷程1的原始譜片段如圖1所示。對載荷歷程1中的局部峰谷值進行提取，結(jié)果如圖2所示。

圖1 重心法向過載原始譜

圖2 載荷歷程1峰谷值圖

按照上述規(guī)則，分別對需要研究的飛行載荷譜進行峰谷值提取，建立起峰谷值數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)基于“四點法”的數(shù)據(jù)清洗奠定基礎。

2 基于“四點法”的數(shù)據(jù)清洗

采用“四點法”對峰谷值數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)清洗。四點法是指從整個載荷歷程的第一個數(shù)據(jù)點開始，每次選取4個數(shù)據(jù)點構(gòu)成一個載荷循環(huán)，將該載荷循環(huán)與依據(jù)疲勞損傷容限評定得到的門檻值進行比較，剔除幅值小于門檻值的載荷循環(huán)，保留幅值大于門檻值的載荷循環(huán)。以飛機過載為例，門檻值的定義如下：

Δ=(Amax-Amin)·ε

(1)

式中：Δ為門檻值；Amax為整個載荷歷程中的過載最大值，g；Amin為整個載荷歷程中的過載最小值，g；ε為疲勞損傷容限專業(yè)確定的閾值(無量綱)。

飛行載荷譜按照載荷循環(huán)起點的不同可以分為起點為谷值和起點為峰值兩大類，本文對每類載荷循環(huán)的“四點”數(shù)據(jù)形態(tài)進行數(shù)據(jù)清洗方法的說明。

2.1 載荷循環(huán)起點為谷值

載荷循環(huán)的起點為谷值時，依據(jù)“四點”數(shù)據(jù)前后兩個峰值點的大小關(guān)系，可分為以下兩類：

1)第二個峰值大于第一個峰值，即nD>nB(nD為D點的載荷值，nB為B點的載荷值，下同)，如圖3所示，對于該四點循環(huán)ABCD，分別比較每一段載荷與門檻值的大小來決定數(shù)據(jù)點的去留。

圖3 起點為谷值且第二個峰值較大時的四點載荷循環(huán)

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ADEF，如圖4(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)CDEF，如圖4(b)所示。

圖4 起點為谷值且第二個峰值較大時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2)第二個峰值不大于第一個峰值，即nD≤nB，如圖5所示。

圖5 起點為谷值且第二個峰值較小時的四點載荷循環(huán)

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)BCDE，如圖6(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ABEF，如圖6(b)所示。

圖6 起點為谷值且第二個峰值較小時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2.2 載荷循環(huán)起點為峰值

載荷循環(huán)起點為峰值時，依據(jù)“四點”數(shù)據(jù)前后兩個谷值點的大小關(guān)系，可分為以下兩類：

1)第二個谷值大于第一個谷值，即nD>nB，如圖7所示。

圖7 起點為峰值且第二個谷值較大時的載荷循環(huán)

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)BCDE，如圖8(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ABEF，如圖8(b)所示。

圖8 起點為峰值且第二個谷值較大時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2)第二個谷值不大于第一個谷值，即nD≤nB，如圖9所示。

圖9 起點為峰值且第二個谷值較小時的載荷循環(huán)

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ADEF，如圖10(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)CDEF，如圖10(b)所示。

圖10 起點為峰值且第二個谷值較小時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2.3 數(shù)據(jù)清洗案例

以某型飛機一關(guān)鍵件在一段飛行過程中所承受的載荷數(shù)據(jù)為例，通過“四點法”數(shù)據(jù)清洗(設定Δ=30%)，得到相應載荷歷程數(shù)據(jù)清洗后的載荷譜，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

為了驗證清洗結(jié)果的合理性，對該關(guān)鍵件的一疲勞細節(jié)部位進行原始譜及清洗譜的損傷分析，分析結(jié)果見表1。

從表1可見，通過“四點法”數(shù)據(jù)清洗，雖然載荷數(shù)據(jù)點從1 000個減少至16個，但能基本保證原始譜的損傷大小，說明該數(shù)據(jù)清洗結(jié)果合理有效。

表1 損傷分析結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于“四點法”的民用飛機飛行載荷譜數(shù)據(jù)清洗方法，主要包括兩個步驟：從原始載荷歷程中提取局部峰谷值，組成峰谷值數(shù)據(jù)庫；依據(jù)疲勞損傷評定門檻值，采用“四點法”對四點載荷循環(huán)進行清洗，得到載荷歷程的清洗譜。該數(shù)據(jù)清洗方法在保留原始載荷譜加載次序的基礎上，剔除了對疲勞損傷容限影響較小的載荷數(shù)據(jù)點，從而大大減少了后續(xù)數(shù)據(jù)處理所需的人力和物力。該方法對于單機疲勞損傷評定及維修檢查間隔制定具有十分重要的意義。