CN110207966A - 一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法，该方法主要包括疲劳关键部位多轴应变载荷历程测量与转换、多轴随机疲劳载荷实时循环计数、在线实时损伤计算及损伤累积。对与每个在线测量得到的应变数据信息进行处理，最终实时获得监测部位的疲劳损伤情况。该方法易于集成在现有的基于应变传感器的机载在线载荷监测系统，以实现复杂载荷下航空结构疲劳关键部位在线实时损伤监测与评估，是确保飞行安全的关键及前沿技术。

Description

一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法

技术领域

本发明属于航空结构疲劳损伤监测、多轴疲劳损伤评估技术领域，特别地涉及一种机载航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤实时评估方法。

背景技术

随着飞机机体结构疲劳关键件制造成本的增加，对机载航空结构疲劳损伤在线实时监控技术也提出了更高的要求。飞机机体结构疲劳关键件在飞机运行过程中承受着复杂的多轴随机非比例疲劳载荷，要想实现对其进行准确地在线损伤监测，损伤评估方法的精确性与实时性至关重要。

针对机载航空结构在线损伤监测技术的工程需求，本发明提出了一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法。该方法能够实现多轴随机非比例疲劳载荷的在线实时循环计数和损伤评估。该方法的发明及其在基于应变传感器的载荷测量系统中的拓展应用，有效地提高了飞机等航空结构疲劳关键件损伤监测技术的可靠性、实时性及准确性。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法，该方法基于多轴应变测量与预处理技术、多轴在线实时循环计数方法、基于应变的多轴疲劳损伤模型和线性损伤累积方法进行构建。

本发明采用的技术路线图如图1所示，该方法针对航空结构疲劳关键部位，按照45度夹角粘贴三个应变片构成一个由三个应变传感器构建成的三轴45度的应变花传感器组，以此获得飞机等航空结构疲劳关键件裂纹易于萌生部位的应变载荷信息。对在线测量获得的应变数据信息，按照结构处于平面应力状态的受载情况进行简化分析，结合预先通过地面试验或有限元分析确定的应力集中系数，换算出结构件危险部位的正应变及剪切应变载荷数据信息。基于实时获得的正应变和剪切应变载荷历程，进行多轴在线实时循环计数，进而确定出一个半循环。某个半循环一旦计数出来，即刻采用基于应变的多轴损伤模型和线性损伤累积方法进行损伤计算和损伤累加。整个过程如图1所示，对每个在线测量得到的应变数据信息进行处理，最终实时获得监测部位的疲劳损伤情况。

本发明采用的疲劳关键部位多轴应变测量与转换方法如图2所示。对于大多数工程构件可以近似地简化为平面应力状态进行分析，在航空结构件危险部位附近粘贴三轴45度应变花传感器组实时测得某一时刻t时0度、45度、90度三个方向的应变值并按照图2所示的坐标系及转换方法得到危险点部位的正应变ε_t及剪切应变γ_t。其中，K_y及K_xy是结构件应变测量点与危险部位的正应力及剪切应力集中系数，通过有限元分析或试验提前获得。

本发明所提出的机载航空结构关键部位多轴随机载荷下在线实时循环计数与疲劳损伤计算方法流程图如图3所示，计算步骤如下：

步骤1)：45度三轴应变花数据采集系统实时采集应变数据并按照图2所示进行转换，得到航空结构危险点部位的正应变及剪切应变；

步骤2)：以第一个数据采集点的正应变和剪应变为参考点实时计算每个数据点的相对等效应变，得到其相对等效应变时间历程；

步骤3)：获取相对等效应变历程的第一个峰值点，并将其作为实时截取载荷历程区间的参考点；

步骤4)：继续实时接收数据，计算并存储后续载荷历程的峰值数据点；

步骤5)：实时判读当前相对等效应变的峰值点数据是否大于或等于参考峰值点的相对等效应变数据；

步骤6)：若满足步骤5)中的判读条件，则在参考峰值点到当前相对等效应变峰值点载荷区间中截取与参考峰值点相对应变数据相等的连续载荷区间作为待计数载荷历程区间；如不满足判读条件则重复步骤4)、5)、6)；

步骤7)：对已获得的待计数载荷历程区间进行Wang-Brown计数，在线实时确定计数循环；

步骤8)：按照图3所示损伤模型，实时计算每个计数循环的疲劳损伤，并与之前计算的损伤值进行线性累加；

步骤9)：判读是否采集数据结束，如果数据采集结束则将当前最大相对等效应变峰值点之前剩余的载荷历程区间计为一个最大的半循环，并按照步骤8)进行疲劳损伤评估；如果数据采集继续进行，则重复步骤4)、5)、6)、7)、8)、9)；

步骤10)：一旦最大半循环损伤评估结束，则将当前最大等效应变数据点之后的载荷历程区间作为一个待计数载荷区间重复步骤7)8)，至此，在线实时循环计数及疲劳损伤评估完成。

附图说明

图1机载航空结构疲劳损伤在线实时疲劳方法技术路线图；

图2疲劳关键部位多轴应变载荷测量与转换示意图；

图3在线实时循环计数与疲劳损伤计算方法流程图；

图4多轴加载历程示例图；

图5实时截取的第一个载荷历程区间示例图；

图6实时截取的第二个载荷历程区间示例图；

图7实时获取的最大计数半循环载荷历程区间示例图；

图8实时截取的第三个载荷历程区间示例图；

具体实施方式

本发明提出了一种新的航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法。图4为某型飞机主起落架梁结构疲劳关键部位在某个机动动作下，其中一段实测转换后的多轴随机载荷谱，共计300个应变数据点。以该载荷谱为例，对提出的新方法的具体实施步骤作进一步阐述如下：

实施步骤1：从存储了图4所示的正、剪应变载荷历程的数据文件中逐点读取数据模拟数据实时在线采集过程；

实施步骤2：以起始数据点T0的正应变和剪应变为参考点实时计算每个数据点的相对等效应变(i＝1,2,3…)，得到其相对等效应变时间历程；

实施步骤3：获取相对等效应变历程的第一个峰值点如图5所示，并将其作为实时截取载荷历程区间的第一个参考点；

实施步骤4：继续实时读取数据，计算并存储后续载荷历程的峰值数据点，当读取到图5所示的第i+1个数据点时，可以实时判断出当前的第5个相对等效应变峰值点高于参考峰值点此时可以确定图5所示的第一个待计数载荷区间[T1,T1’]；

实施步骤5：对第一个待计数载荷区间[T1,T1’]按照Wang-Brown方法进行循环计数，得到计数半循环后，按照图3所示损伤计算及累积方法实时评估疲劳损伤情况；

实施步骤6：继续实时读取数据，计算并存储后续载荷历程的峰值数据点，当读取到图6所示的第i+1个数据点时，可以实时判断出当前的第9个相对等效应变峰值点高于参考峰值点此时可以确定图6所示的第二个待计数载荷区间[T2,T2’]，按照实时步骤5对第二个待计数载荷区间[T2,T2’]做同样的处理；

实施步骤7：继续实时读取数据，计算并存储后续载荷历程的峰值数据点，直至整个载荷历程全部读取完毕，没有找到比第9个相对等效应变峰值点更大的峰值点，则可以确定最大的半循环[T0,T1]+[T1’,T2]+[T2’,T_max]如图7所示，按照图3所示损伤计算及累积方法实时评估该循环造成的疲劳损伤情况；

实施步骤8：对于相对等效应变最大峰值点也即之后的载荷历程定义为第三个截取的载荷历程区间[T3,T3’]，如图8所示，并按照实时步骤5对第三个待计数载荷区间[T3,T3’]做同样的处理，至此，整个载荷谱在线实时循环计数及损伤评估完成。

Claims (2)

1.一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法，其特征在于：该方法针对航空结构疲劳关键部位，按照45度夹角粘贴三个应变片构成一个由三个应变传感器构建成的三轴45度的应变花传感器组，以此获得飞机等航空结构疲劳关键件裂纹易于萌生部位的应变载荷信息；对在线测量获得的应变数据信息，按照结构处于平面应力状态的受载情况进行简化分析，结合预先通过地面试验或有限元分析确定的应力集中系数，换算出结构件危险部位的正应变及剪切应变载荷数据信息；基于实时获得的正应变和剪切应变载荷历程，进行多轴在线实时循环计数，进而确定出一个半循环；某个半循环一旦计数出来，即刻采用基于应变的多轴损伤模型和线性损伤累积方法进行损伤计算和损伤累加；对每个在线测量得到的应变数据信息进行处理，最终实时获得监测部位的疲劳损伤情况。

2.根据权利要求1所述的一种航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法，其特征在于：实现航空结构多轴随机疲劳载荷下在线损伤评估方法，具体步骤包括，

步骤1)：45度三轴应变花数据采集系统实时采集应变数据并按照所提出的简化方法进行转换，得到航空结构危险点部位的正应变及剪切应变；

步骤2)：以第一个数据采集点的正应变和剪应变为参考点实时计算每个数据点的相对等效应变，得到其相对等效应变时间历程；

步骤3)：获取相对等效应变历程的第一个峰值点，并将其作为实时截取载荷历程区间的参考点；

步骤4)：继续实时接收数据，计算并存储后续载荷历程的峰值数据点；

步骤5)：实时判读当前相对等效应变的峰值点数据是否大于或等于参考峰值点的相对等效应变数据；

步骤6)：若满足步骤5)中的判读条件，则在参考峰值点到当前相对等效应变峰值点载荷区间中截取与参考峰值点相对应变数据相等的连续载荷区间作为待计数载荷历程区间；如不满足判读条件则重复步骤4)、5)、6)；

步骤7)：对已获得的待计数载荷历程区间进行Wang-Brown计数，在线实时确定计数循环；

步骤8)：基于临界面多轴疲劳损伤模型，实时计算每个计数循环的疲劳损伤，并与之前计算的损伤值进行线性累加；

步骤9)：判读是否采集数据结束，如果数据采集结束则将当前最大相对等效应变峰值点之前剩余的载荷历程区间计为一个最大的半循环，并按照步骤8)进行疲劳损伤评估；如果数据采集继续进行，则重复步骤4)、5)、6)、7)、8)、9)；

步骤10)：一旦最大半循环损伤评估结束，则将当前最大等效应变数据点之后的载荷历程区间作为一个待计数载荷区间重复步骤7)8)，至此，在线实时循环计数及疲劳损伤评估完成。