一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法与流程

1.本发明属于飞机结构疲劳载荷谱编制技术领域，具体涉及一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法。


背景技术：

2.军用飞机结构强度规范(gjb67.6a-2008)要求编制耐久性设计使用载荷谱，以反映飞机在设计使用分布内的严重使用情况，从而使机队90％的飞机预期满足设计使用寿命。一般将反映严重使用情况的载荷谱简称为严重谱，将反映平均使用情况的载荷谱简称为平均谱。现有规范/手册里的载荷谱编制方法均是针对平均谱的，目前尚没有明确统一的严重谱编制方法。
3.飞机的设计使用方法一般用任务剖面表示。任务剖面是由若干任务段和性能参数所组成的任务顺序表，由此构成每种任务的一次完整飞行。传统的疲劳载荷谱编制方法是基于典型任务剖面组合的飞-续-飞法，又称为任务分析法，它反映了服役寿命期内不同任务剖面组合和不同机动强度组合。
4.区别于任务分析法，本发明提出一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法，能够满足载荷谱反映飞机设计使用分布内严重使用情况的要求，且载荷谱对所有关键部件的严重程度是均衡的。该方法反映的是典型天空点组合，而非任务剖面组合。典型天空点是表征飞机做基本机动飞行时所处的天空位置和基本飞行状态。一个典型天空点由一组特定的飞行高度、马赫数、重量和外挂构型组成。


技术实现要素：

5.本发明的目的：为了编制出能够反映飞机设计使用分布内严重使用情况且对所有关键部件的疲劳损伤均衡的载荷谱，本发明提出一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法。
6.本发明的技术方案：
7.本发明一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法，其核心在于确定每个关键部件的损伤表征天空点并确定一个合适的天空点组合比例，从而使编制出的载荷谱满足所有关键部件的损伤严重程度要求，而不会使个别部件的损伤过大，即所有关键部件在该载荷谱下的疲劳损伤是均衡的。
8.损伤严重程度要求是指：对于每个关键部件，以其损伤表征天空点载荷谱下的疲劳损伤为基准损伤，要求所编制的疲劳载荷谱应达到特定比例的基准损伤水平，对于机翼主梁，该比例通常取80％，对于机身，该比例通常取50％～80％，对于控制舵面，该比例通常取35％～45％。损伤表征天空点指的是在所有典型天空点中该部件损伤最严重的天空点。不同结构部件的损伤表征天空点通常是不同的，除非某些部件的载荷有很大的相关性。
9.一种基于损伤表征天空点的疲劳载荷谱编制方法，包括如下步骤：
10.s1：假设一个寿命期内典型任务剖面及其时间比例、基本机动动作及其发生次数
已确定(或已知)，根据典型任务剖面的任务段定义，按特征参数相似的原则将任务段归并为n个典型天空点，并从所有部件载荷类型中选取m个关键部件载荷；
11.在一个可能的实施例中，在所述步骤s1中，基本机动动作也称为基本机动层，代表飞机完成一组特定飞行参数的连续飞行时间历程，从某一可能的最小载荷连续变化到某一可能的最大载荷值。
12.在一个可能的实施例中，在所述步骤s1中，特征参数指的是任务段的高度、马赫数、重量和构型。一个任务剖面可能包含多个典型天空点，不同任务剖面可能出现相同的典型天空点。
13.在一个可能的实施例中，在所述步骤s1中，关键部件载荷指的是对关键部件疲劳损伤影响最大的载荷，如：机翼根部弯矩、机翼半展长弯矩、垂尾根部弯矩、前/中/后机身关键剖面弯矩、活动舵面铰链力矩等。
14.s2：对于每一个天空点，假设在一个寿命期内所有基本机动动作均发生在该天空点下，采用六自由度飞行模拟法和飞行参数解析法获取每种机动典型载荷状态的关键部件载荷，并采用概率抽样法编制该天空点下的各关键部件载荷谱，最终得到n*m组单一天空点载荷谱；
15.在一个可能的实施例中，在所述步骤s2中，采用概率抽样法编制该天空点下的各关键部件载荷谱，具体步骤为：
16.根据一个寿命期内每个基本机动的发生次数，采用“混合乘同余法”对各机动进行随机抽样排列，组成单一天空点下的基本机动谱。然后，将每种机动典型载荷状态的关键部件载荷按照基本机动谱的顺序进行排列，即可获得单一天空点下的各关键部件载荷谱。
17.s3：对于每一个关键部件载荷，分别计算n组单一天空点载荷谱下典型结构细节的疲劳损伤，选取疲劳损伤最大的天空点作为损伤表征天空点；选取疲劳损伤最大值作为基准损伤，计算其他单一天空点载荷谱下疲劳损伤与基准损伤的相对损伤比值(即疲劳损伤度)，并按疲劳损伤度由大到小排序，最终选取前g个天空点，其中，g＝1/8*n～1/4*n；
18.在一个可能的实施例中，在所述步骤s3中，典型结构细节的疲劳损伤计算过程如下：
19.1)统计出n组单一天空点载荷谱中的最大载荷值，分别将这n组载荷谱除以该最大值，将n组载荷谱转换为n组系数谱；
20.2)选取该关键部位的典型结构细节类型(如耳片、紧固孔)，采用应变寿命分析方法(又称局部应力-应变法)，确定一个合适的参考应力水平，使n组单一天空点系数谱下的最短裂纹萌生寿命接近飞机设计使用寿命；
21.3)计算n组单一天空点系数谱在第2)步确定的参考应力水平下的应变疲劳损伤。
22.在一个可能的实施例中，在所述步骤s3中，其他单一天空点载荷谱下疲劳损伤与基准损伤的相对损伤比值(即疲劳损伤度)根据下式进行计算：
[0023][0024]
其中dr表示疲劳损伤度，di表示第i个单一天空点载荷谱下的应变疲劳损伤，n为典型天空点数量。
[0025]
s4：将每个关键部件载荷经步骤s3选取的g个天空点取并集，若并集中的天空点数
量》2*g，则按主要关键部件载荷在该天空点下的疲劳损伤度尽量大的原则，进一步综合筛选出f个天空点，其中，f＝1.5*g～2*g；若并集中的天空点数量《2*g，则直接选取并集中的所有天空点；
[0026]
在一个可能的实施例中，在所述步骤s4中，主要关键部件载荷通常取机翼根部弯矩和/或机翼半展长弯矩和/或中机身弯矩。
[0027]
s5：基于步骤s4筛选出的f个天空点以及步骤s3得到的各关键部件载荷在各天空点下的疲劳损伤度，采用损伤线性叠加法进行天空点初步组合分析，以满足主要关键部件载荷的总疲劳损伤度达到特定值(通常至少为80％)为原则，初选出若干天空点组合；
[0028]
在一个可能的实施例中，在所述步骤s5中，天空点初步组合分析的具体过程如下：
[0029]
1)用j表示天空点组合中的天空点数量，满足j《f；
[0030]
2)从f个天空点中随机选取j个天空点，并假设一组可能的概率组合代表每个天空点的飞行时间比例，总时间比例为1；
[0031]
3)采用损伤线性叠加法(公式如下)计算该天空点组合和概率组合下每个关键部件载荷的总疲劳损伤度，要求主要关键部件载荷(通常取机翼根部弯矩和/或机翼半展长弯矩和/或中机身弯矩)的总疲劳损伤度达到特定值(通常至少为80％)，从而初选出若干天空点组合(含飞行时间比例)。
[0032][0033]
其中dri表示某关键部件载荷在当前天空点组合中第i个天空点下的疲劳损伤度，pi表示当前天空点组合中第i个天空点的飞行时间比例，pi有多种取值组合，通常以10％增量进行调整。如：假设j＝2，则pi组合可以为10％/90％、20％/80％、30％/70％、40％/60％、依此类推；假设j＝3，则pi组合可以为10％/10％/80％、10％/20％/70％、10％/30％/60％、10％/40％/50％、依此类推。
[0034]
s6：基于步骤s5中初选的若干天空点组合，将一个寿命期内每个机动动作的发生次数按各天空点的飞行时间比例进行概率分配，接着采用概率抽样法编制各天空点组合的关键部件载荷谱，然后采用步骤s3所述典型结构细节疲劳损伤计算方法计算各天空点组合关键部件载荷谱的疲劳损伤，以满足各关键部件的损伤严重程度要求为原则，确定出最终天空点组合及其对应的载荷谱。
[0035]
在一个可能的实施例中，在所述步骤s6中，将一个寿命期内每个机动动作的发生次数按各天空点的飞行时间比例进行概率分配，概率分配的计算公式如下。
[0036][0037]
其中n
k,i
表示第k个机动分配到当前天空点组合中第i个天空点的发生次数，nk表示第k个机动在一个寿命期内的总发生次数，pi表示当前天空点组合中第i个天空点的飞行时间比例。
[0038]
在一个可能的实施例中，在所述步骤s6中，采用概率抽样法编制各天空点组合的关键部件载荷谱，具体步骤为：
[0039]
根据一个寿命期内每个天空点的发生次数，采用“混合乘同余法”对各天空点进行随机抽样排列，然后在每一天空点中根据每个机动动作的发生次数对每个机动动作采用同
样的随机抽样方法进行随机排列，组成各天空点组合下的基本机动谱。然后，将每种机动典型载荷状态的关键部件载荷按照基本机动谱的顺序进行排列，即可获得各天空点组合下的各关键部件载荷谱。
[0040]
本发明的有益效果：本发明基于损伤表征天空点编制疲劳载荷谱，该方法能够定量评估各关键部位在所有天空点下的损伤严重程度，最终编制出的载荷谱能够满足载荷谱反映飞机设计使用分布内严重使用情况的要求，且载荷谱对所有关键部件的严重程度是均衡的。
附图说明
[0041]
图1为本发明的方法流程图
[0042]
图2为实施例的机翼载荷谱序列。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
以某型飞机载荷谱编制为例，本发明方法具体实施步骤如下：
[0045]
1)按照步骤s1，选取16个典型天空点和6个关键部件载荷，
[0046]
2)按照步骤s2，编制16*6组单一天空点下部件载荷谱，
[0047]
3)按照步骤s3，采用所述的应变寿命法计算所有单一天空点载荷谱下的疲劳损伤度，并分别挑选出各关键部件载荷的前3个天空点；
[0048]
4)按照步骤s4，进一步综合筛选出6个天空点。表1列出了这6个单一天空点载荷谱下各关键部件载荷的疲劳损伤度。
[0049]
表1单一天空点载荷谱下各关键部件载荷的疲劳损伤度
[0050]
天空点编号机翼根部m机翼半展长m前机身m中机身m垂尾根部m副翼hmpits10.50.440.40.530.430.28pits20.880.910.720.290.88pits30.560.590.540.930.620.17pits40.310.280.4210.720.12pits50.910.920.350.840.440.2pits6110.390.820.560.35
[0051]
5)按照步骤s5，采用损伤线性叠加法进行天空点初步组合分析，初选出15组满足损伤要求的天空点组合。表2～表4示例了其中3组初步天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度结果。
[0052]
表2第1组初选天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度(线性叠加法)
[0053][0054]
表3第2组初选天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度(线性叠加法)
[0055][0056][0057]
表4第3组初选天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度(线性叠加法)
[0058][0059]
6)按照步骤s6，采用概率抽样法编制15组初选天空点组合的关键部件载荷谱，并计算各载荷谱下典型结构细节的疲劳损伤，以满足各关键部件损伤严重程度要求为原则，最终选取第2组天空点组合及对应的部件载荷谱。表5示例了第2组天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度结果。一个寿命期的机翼根部弯矩载荷谱序列见图2，纵坐标作了归一化处理。对于机翼弯矩，损伤严重程度取80％，对于机身弯矩，损伤严重程度取50％～80％，对于垂尾/控制舵面，损伤严重程度取35％～45％。
[0060]
表5第2组天空点组合的关键部件载荷总疲劳损伤度(典型细节疲劳损伤计算)
[0061][0062]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的
技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。