CN110705153A - 一种无人机多阶安全系数取值方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机疲劳学领域，特别涉及一种无人机多阶安全系数取值方法。包括：步骤一：确定无人机安全系数取值范围；步骤一中，所述确定无人机安全系数取值范围包括：S001：确定影响无人机安全系数补偿的因素；S002：根据所述影响无人机安全系数补偿的因素，确定无人机安全系数取值公式；S003：确定所述无人机安全系数取值公式中各参数取值；S004：确定所述无人机安全系数取值范围。步骤二：针对无人机的不同结构，制定无人机安全系数分阶标准，选取对应的安全系数。本申请的无人机多阶安全系数取值方法，通过对不同结构部位制定不同安全系数，能够有效控制强度裕度，对于降低结构重量具有重要作用。

Description

一种无人机多阶安全系数取值方法

技术领域

本申请属于飞机疲劳学领域，特别涉及一种无人机多阶安全系数取值方法。

背景技术

无人机具有可进行高机动大过载(12g～18g)、长期存储、较低使用寿命的特点，于无人机大过载的使用特点和动力限制等因素，结构重量系数必然要求很低，对降低安全系数取值的需求很强烈。

现有技术中的安全系数法是一种确定性设计准则，安全系数的取值主要基于大量的经验，没有准确描述设计中材料、结构、载荷等设计变量的不确定性，因此，采用传统安全系数方法不能反应结构可靠性指标，只单纯从保证结构安全的角度出发给出一个可接受的安全系数取值范围。此外，传统安全系数法对于全机结构采用统一的安全系数，然而，全机各部段结构的安全裕量是不同的，因此当采用统一的安全系数时，每个部段的结构可靠度也不尽相同。例如，对于安全裕度较大的部位，采用1.5倍安全系数是偏保守的，因此其结构可靠度也很高；相反，对于一些安全裕度小，或载荷非线性程度高的部位，采用1.5安全系数并不能证明是绝对安全的，其结构可靠度也相对较低。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种无人机多阶安全系数取值方法，以解决现有技术中存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种无人机多阶安全系数取值方法，包括：

步骤一：确定无人机安全系数取值范围；

步骤二：针对无人机的不同结构，制定无人机安全系数分阶标准，选取对应的安全系数。

可选地，步骤一中，所述确定无人机安全系数取值范围包括：

S001：确定影响无人机安全系数补偿的因素；

S002：根据所述影响无人机安全系数补偿的因素，确定无人机安全系数取值公式；

S003：确定所述无人机安全系数取值公式中各参数取值；

S004：确定所述无人机安全系数取值范围。

可选地，步骤S001中，所述影响无人机安全系数补偿的因素包括：载荷的分散性、材料质量分散性、制造工艺的缺陷、设计的不确定性、限制载荷下不能产生有害变形、飞机结构疲劳、使用环境。

可选地，步骤S002中，所述无人机安全系数取值公式为：

f＝f_载荷·f_材料·f_附加

其中，f为无人机安全系数，f_载荷为受载荷分散性影响的无人机安全系数，f_材料为受材料分散性影响的无人机安全系数，f_附加为受附加因素影响的无人机安全系数。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的无人机多阶安全系数取值方法，通过对无人机不同结构部位制定不同安全系数，能够有效控制强度裕度，对于降低结构重量具有重要作用。

附图说明

图1是最大阵风速度W_эф与飞机使用时间的关系曲线；

图2是世界范围统计的阵风速度重复性曲线。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图2对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种无人机多阶安全系数取值方法，包括：

步骤一：确定无人机安全系数取值范围；

步骤二：针对无人机的不同结构，制定无人机安全系数分阶标准，选取对应的安全系数。

步骤一中，确定无人机安全系数取值范围包括：

S001：确定影响无人机安全系数补偿的因素；

S002：根据影响无人机安全系数补偿的因素，确定无人机安全系数取值公式；

S003：确定无人机安全系数取值公式中各参数取值；

S004：确定无人机安全系数取值范围。

具体的，步骤S001中：在确定影响无人机安全系数补偿的因素时，主要基于如下三个方面的因素：

发生比正常使用状态下预计的载荷还要大的载荷的可能性；

材料强度的不确定性；

设计的不确定性。

其中，根据无人机结构特点，影响无人机安全系数补偿的因素包括：

a、载荷的分散性

无人机采用的自动控制系统(或者采用载荷减缓技术)降低了载荷分散性，能够更好的限制过载、角速度、加速度、飞行速度极限值等飞行参数，使实际载荷超出最大设计载荷的概率大大降低，无人机结构安全系数在考虑操作误差引起的极限载荷分散性时，可将自动控制系统的过载超限设计参数作为主要依据，如果暂不具备飞控专业相关设计输入，也可以参考有人机的极限载荷统计数据，但这种做法偏保守。此外，载荷分散性还应考虑阵风的影响，尤其在飞机进行高机动飞行时，阵风的出现会造成附加过载值，有可能使得飞机实际承受载荷超过设计载荷。

此外，对于超出屈服后其结构特性是非线性的部件来讲，其气动弹性是非线性的，从而导致了非线性的载荷。在这种情况下，即使超载量很小，仍然可能引起灾难性的后果，在确定这些部件的安全系数时应该留有足够余量。

b、材料质量分散性

随着生产制造水平的提高，材料的质量已经有很大改进。但是随着飞机性能的提高，对材料提出了许多新的要求。同时，现代无人机越来越多采用复合材料，而复合材料结构具有强度性能分散性大、易受湿热环境影响、不耐冲击等弱点，因此其材料特性相比金属材料更加发散。因此，对于无人机而言，材料分散性是确定安全系数时需要考虑的重要因素之一，其安全系数补偿值主要根据材料特性分散性试验数据确定。

c、制造工艺的缺陷

飞机制造工艺已经有了相当大的改进，而且由于工艺质量检查部门的监管及各种先进无损探伤技术的应用，工艺质量分散性进一步降低，因此，对于制造工艺缺陷可不在安全系数中补偿。

d、设计的不确定性

关于设计的不确定性，现代飞机设计采用有限元法可以得到相当正确的计算结果，再用试验进行验证，如有不足之处也可以进行加强，所以，设计的不确定性可以不予考虑。

e、考虑限制载荷下不能产生有害变形

在选择1.5作为飞机结构安全系数时，其设计准则是：采用1.5倍限制载荷作为极限载荷的飞机结构，应保证在限制载荷作用下不产生有害变形，而在极限载荷作用下不发生破坏。对于无人机，由于其特殊使用用途以及不用考虑飞行员安全问题，安全级别相比有人机低，如果发生了轻微的损伤和永久变形也不致影响继续飞行和着陆，而且着陆后容易修复，那么可以考虑放宽该项要求。

f、考虑飞机结构疲劳的影响

某型有人机百分之八十的全寿命周期消耗在飞行员的训练和试飞上，使得常规机必须有更长的寿命，而制空型无人机只为执行任务而设计，机体结构寿命指标较低，一般不超过1000飞行小时，且配备先进的结构健康管理系统，可对飞机健康状况进行实时监控和诊断，并及时进行维修，预测结构剩余寿命和剩余强度的精度大大提高，因此在安全系数中可以不考虑疲劳影响。

g、使用环境的影响

制空型无人机大部分时间都在特定存储环境下封存，只有特定情况下才使用，且使用范围靠近本土，因此可以假定无人机使用环境分散性较低，可不在安全系数中予以考虑。

步骤S002中，根据影响无人机安全系数补偿的因素，确定无人机安全系数取值公式包括：

由上述分析可以看出，确定无人机安全系数时应主要考虑的是载荷分散性和材料性能分散性，对于制造缺陷、有害变形等因素，虽然可暂不单独考虑其对结构强度影响，但是由于这些因素复杂多变，且相互之间存在耦合关系，为了偏保守考虑，对于关键结构部位或对结构可靠度、刚度等有特殊要求的部位，还应叠加一个附加安全系数。

综上所述，无人机安全系数可用下式表示：

f＝f_载荷·f_材料·f_附加 (1)

其中，f为无人机安全系数，f_载荷为受载荷分散性影响的无人机安全系数，f_材料为受材料分散性影响的无人机安全系数，f_附加为受附加因素影响的无人机安全系数。

步骤S003中，确定无人机安全系数取值公式中各参数取值包括：

a、机动载荷补偿系数

对于无人机引起超限飞行的主要原因是：

控制算法必然有超调越界现象；

阵风引起的过载，控制系统在1s～2s时间内，不能将其调整至规定范围；

过载传感器测量误差，安装位置往往不是真实重心位置。

其中，关于控制算法超调越界现象造成的载荷极值超限，可以根据飞控系统的设计参数进行评估，由于自动控制系统精度相比人为因素要精准，且分散性更低，因此由于控制误差造成的载荷补偿系数相比有人机低；阵风载荷可以采用相关的有人机数据进行计算分析；可以通过更先进的传感器技术和优化测试改装方案得出较为精确的飞行状态参数数据。

为了进一步研究和评估无人机载荷补偿系数取值，首先对有人机极值载荷的分散性进行了统计，有人机最大使用过载不超过9g，则在实际使用中安全系数补偿的最大过载增量为：

Δn＝1.2×9-9＝1.8g (2)

由于无人机的自动控制系统相比有人机能够更好的控制限制载荷，故补偿的过载增量应小于1.8g，具体取值应根据飞控系统给出的设计参数进行评估，可定为Δn＝1.2g。

b、阵风载荷补偿系数

阵风载荷影响是载荷补偿系数需要考虑的另外一个重要因素。阵风出现的频率和阵风速度具有一定的随机性。研究阵风载荷对飞机载荷极值分散性的影响，必须以大量的统计数据为基础。图1和图2分别给出了世界范围内统计的最大阵风速度与飞机使用时间的关系曲线，以及阵风速度重复概率曲线。

无人机进行高机动大过载的高度范围在h＝6000m，最大速度为285m/s，寿命不高于1000飞行小时，阵风速度取无人机全寿命期内出现一次的阵风速度(出现概率为10^-3)，从图1和图2可以看出，此时阵风速度约为10m/s。

飞机阵风速度的计算方法为：

n＝n₀±△n (3)

△n＝R·U_de (4)

式中：n为阵风载荷系数；n₀为取1.0；△n为阵风载荷系数增量；R为机翼和机身的垂直阵风响应参数，s/m；U_de为折算当量阵风速度；ρ₀为海平面空气密度，kg/m³；C_Nα为全机法向力系数随迎角的变化率，1/rad；V_EQU为当量空速，m/s；G/S为翼载，N/m²；K_W为离散阵风减缓因子，在亚音速时按(6)式确定：

其中：μ_g为飞机质量参数，其值为：

式中：g为重力加速度，m/s²；

为机翼平均几何弦长，m；ρ_h为所在高度空气密度，kg/m³。

ρ₀的取值和ρ_h的计算公式：

当H≤11000m时，

ρ_h＝1.2250(1-0.225577×10^-4H)^4.25588 (8)

根据公式(3)～(8)计算阵风过载增量系数，在计算过程中，上式中各计算参数由无人机部气动专业给出：

ρ₀＝1.225，C_Nα＝0.07，V_EQU＝285m/s，G/S＝2470N/m²，

ρ_h＝0.66kg/m³，故：

△n＝R·U_de＝2.2 (9)

c、材料性能补偿系数

型号中应用的成熟材料，均按照严格的材料体系标准进行控制，材料技术条件规定了材料的质量保证规定，其力学性能必须满足要求才能投入使用，因此目前型号中采用的材料，其力学性能分散性是经过严格控制的。此外，在进行应力分析时，对主要力学性能参数的取值均取为材料性能范围的下限，偏保守。表1给出了几种常用工程材料的拉伸强度取值。

表1几种常用工程材料的拉伸强度

从上表可以看出，工程上采用的金属材料力学性能参数取值较为保守，与A基准值比值最大为1.12，即置信度取95％，可靠度99％时，材料补偿系数取1.12时能够使得材料性能可靠度达到99％以上。

步骤S004中，确定无人机安全系数取值范围包括：

无人机安全系数可用公式(1)式表示：

按照上述分析的载荷补偿系数和材料性能补偿系数可以，由于操纵控制误差和阵风载荷引起的过载增量分别为1.2g和2.2g，假设操控误差和阵风引起的过载不叠加(假设操纵最大误差和最大阵风不同时出现)，取其中较大值作为载荷补偿系数，限制过载为12g时载荷补偿系数为(12+2.2)/12＝1.18，限制过载为18g时载荷补偿系数为(18+2.2)/18＝1.12。在不考虑环境和老化引起的材料性能退化前提下，材料补偿系数取1.1。按照(1)式，附加安全系数取1时，设计限制过载12g时，无人机安全系数暂定为1.3，设计限制过载18g时，无人机安全系数定为1.2。

步骤二中，针对无人机的不同结构，制定无人机安全系数分阶标准，选取对应的安全系数包括：

对于UCAV不同部位、不同特点的结构，在安全系数的取法上应有不同的方法和系数大小，依据结构损伤对无人机造成的破坏程度区分原则：

结构破坏(或者损伤)会造成无人机的灾难事故和严重的功能不足，此处结构应考虑附加的系数，以保证无人机及其零部件在服役期间内安全飞行，如翼身连接接头、发动机连接接头、着陆装置连接接头，均应乘以接头附加安全系数，接头系数和不确定系数适用于接头的所有部位及其连接件，以及被连接件的挤压强度；

结构破坏(或者损伤)不会造成无人机的灾难性事故，但不能保证飞行器及其零部件在服务寿命期间内安全飞行并且维修经济性不好或修复难度大，此部分结构在对无人机进行损伤分析后确定，结构应考虑附加安全系数；

结构破坏(或者损伤)不会造成无人机及其零部件在服务寿命期间内的飞行事故，应及时修复且修复难度小，此部分结构不附加安全系数，可取基准安全系数1.2；

结构破坏(或者损伤)不会造成无人机的灾难事故，修复难度小，在进行修复后能保证无人机及其零部件在服役期间内安全飞行，经批准后可低于基准安全系数1.2；

对于承受热载的结构，除应考虑外载荷安全系数外，还应单独考虑热应力的安全系数，热应力安全系数f一般取1.2。

本申请的无人机多阶安全系数取值方法，通过对不同结构部位制定不同安全系数，能够有效控制强度裕度，对于降低结构重量具有重要作用。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无人机多阶安全系数取值方法，其特征在于，包括：

步骤一：确定无人机安全系数取值范围；

步骤二：针对无人机的不同结构，制定无人机安全系数分阶标准，选取对应的安全系数。

2.根据权利要求1所述的无人机多阶安全系数取值方法，其特征在于，步骤一中，所述确定无人机安全系数取值范围包括：

S001：确定影响无人机安全系数补偿的因素；

S002：根据所述影响无人机安全系数补偿的因素，确定无人机安全系数取值公式；

S003：确定所述无人机安全系数取值公式中各参数取值；

S004：确定所述无人机安全系数取值范围。

3.根据权利要求1所述的无人机多阶安全系数取值方法，其特征在于，步骤S001中，所述影响无人机安全系数补偿的因素包括：载荷的分散性、材料质量分散性、制造工艺的缺陷、设计的不确定性、限制载荷下不能产生有害变形、飞机结构疲劳、使用环境。

4.根据权利要求2所述的无人机多阶安全系数取值方法，其特征在于，步骤S002中，所述无人机安全系数取值公式为：

f＝f_载荷·f_材料·f_附加

其中，f为无人机安全系数，f_载荷为受载荷分散性影响的无人机安全系数，f_材料为受材料分散性影响的无人机安全系数，f_附加为受附加因素影响的无人机安全系数。

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