CN112528478B - 一种无人机阵风载荷谱快速编制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空器结构疲劳寿命设计领域，涉及一种无人机阵风载荷谱快速编谱方法；选取无人机的一组“基准状态参数”，采用连续紊流分析仅计算一次阵风响应“基准特征频率”，对于任意任务段的飞行状态，直接采用多元线性回归法获取该任务段的阵风响应特征频率。最后根据一个寿命周期各类任务段时间，计算各级阵风速度的超越数，进而完成阵风载荷谱的快速编制。本发明仅需构建一次关键状态参数比值与阵风响应特征频率比值的多元回归方程，可实现设计载荷谱、实测载荷谱和单机载荷谱的快速编制，从而缩短编谱周期；该方法体系简洁高效，且具有良好的工程适用性，可推广至各类航空飞行器。

Description

一种无人机阵风载荷谱快速编制方法
技术领域
本发明属于航空器结构疲劳寿命设计领域，涉及一种无人机阵风载荷谱快速编谱方法。
背景技术
大气紊流所致的阵风载荷对于无人机机体结构的疲劳寿命有较大影响，尤其对于以巡航为主的无人机，阵风载荷是引起飞机结构疲劳损伤/破坏不容忽视的疲劳载荷源。
采用连续紊流分析编制无人机阵风载荷谱是目前国内外普遍认可的方法，用功率谱密度函数及均方根阵风速度分布来表征连续紊流的随机过程，并与飞机结构的动态响应特性相结合，用随机过程理论的方法确定由大气紊流产生的飞机载荷。
根据GJB67.2A－2008《军用飞机结构强度规范飞行载荷》，各级阵风速度的超越数计算公式为：
Figure BDA0002815696660000011
其中，N(U)表示阵风速度U在单位时间(1s)内的超越数；N0表示阵风响应特征频率(响应量每秒以正斜率穿越零值的平均次数)，b1和b2分别表示晴空紊流和风暴紊流的均方根阵风速度分布的均值；P1和P2分别表示晴空紊流和风暴紊流的时间比例。大气紊流环境参数P1、P2、b1、b2仅是高度的函数，与飞机无关，具体参数取值详见GJB67.2A－2008。
对于某阵风速度U，只要高度H一定，其超越数N(U)仅取决于阵风响应特征频率N0，因此，编制阵风载荷谱的关键在于获取特征频率。各级阵风速度下的载荷响应需通过结构动态分析来获取。
飞机在不同任务剖面不同任务段的飞行状态是不同的，阵风动态响应特性亦不相同。传统编谱方法是所有任务段均采用连续紊流分析计算阵风载荷的大小和发生频次，过程较为繁琐，将会花费大量的人力和物力。
发明内容
本发明的目的：
建立一种无人机阵风载荷谱的快速编制方法，以缩短设计载荷谱编制周期，从而在结构设计初期引入疲劳寿命优化设计，提高飞机结构的可靠性、安全性、经济性。
本发明的技术方案：
一种无人机阵风载荷谱快速编制方法，包括以下步骤：
第一步：选取一组飞机状态参数，采用连续紊流分析计算该状态下的飞机阵风响应特征频率(N0)，将这些参数和频率作为“基准状态参数”和“基准特征频率”。
第二步：选取多组飞机状态参数，分别采用连续紊流分析计算对应的飞机阵风响应特征频率，以4个关键参数(Ma，1/μg，1/c，1/AR)与基准状态参数的比值作为自变量，以特征频率与基准特征频率的比值作为因变量，构建“关键参数比值”与“特征频率比值”的多元线性回归方程，形式如下：
Figure BDA0002815696660000021
其中，Ma表示马赫数；c表示机翼平均气动弦长；AR表示机翼平均展弦比；μg表示飞机质量参数；k0～k4表示线性回归系数。
第三步：确定各任务剖面每个任务段的飞行状态参数，根据第二步的多元线性回归方程和第一步的基准状态参数和基准特征频率，可快速获取该任务段的阵风响应特征频率；
第四步：基于第三步获取的各任务段阵风响应特征频率，根据一个寿命周期各任务段的高度范围和发生时间，计算各级阵风速度的总超越数，采用概率配对法，按各任务剖面的执行顺序，即可编制一个寿命周期的阵风载荷谱。
所述第一步选取一组飞机状态参数为发生时间最长的任务段所对应的飞机状态参数，
所述飞机状态参数为阵风动态响应特性计算所需的所有相关参数。
所述第一步连续紊流分析是精细动态仿真分析或单自由度、二自由度刚体分析。
所述第二步飞机质量参数μg的计算公式为：
Figure BDA0002815696660000022
其中，G表示飞机重量(单位：N)、CL α表示机翼升力线斜率(单位：1/rad)、c表示机翼平均气动弦长(单位：m)、S表示机翼参考面积(单位：m2)，ρ表示所在高度的空气密度(单位：kg/m3)、g表示重力加速度(单位：m/s2)。
所述第三步快速获取该任务段的阵风响应特征频率，具体步骤为：
4)计算每个任务段的关键状态参数与第一步“基准状态参数”的比值；
5)将关键参数比值代入第二步的多元线性回归方程，求解该任务段的阵风响应特征频率比值；
6)将该比值乘以第一步“基准特征频率”获取该任务段的阵风响应特征频率。
所述第四步各级阵风速度的总超越数，计算公式为：
Figure BDA0002815696660000031
其中，n表示任务段总数、ti表示各任务段的发生时间、大气紊流环境参数P1、P2、b1、b2根据任务段所在的高度范围来确定。
所述第四步概率配对法，指根据各级阵风载荷峰谷值的发生次数计算不同峰谷对的发生概率，构成能够统计代表机群母体可能经历的载荷循环。
本发明有益效果：
本发明提出一种无人机阵风载荷谱快速编谱方法，选取无人机的一组“基准状态参数”，采用连续紊流分析仅计算一次阵风响应“基准特征频率”。对于任意任务段的飞行状态，直接采用多元线性回归法获取该任务段的阵风响应特征频率。最后根据一个寿命周期各类任务段时间，计算各级阵风速度的超越数，进而完成阵风载荷谱的快速编制。
该法仅需构建一次关键状态参数比值与阵风响应特征频率比值的多元回归方程，可实现设计载荷谱、实测载荷谱和单机载荷谱的快速编制，从而缩短编谱周期；该方法体系简洁高效，且具有良好的工程适用性，可推广至各类航空飞行器。
附图说明
图1为无人机阵风载荷谱快速编制流程
具体实施方式
以某型无人机为例，本发明方法具体实施步骤如下：
1)计算基准特征频率
选取一组飞机状态参数，包括飞机重量、高度、马赫、机翼平均气动弦长、机翼参考面积、机翼升力线斜率、动态气动导数，采用忽略弹性模态的二自由度刚体分析法计算阵风响应特征频率，将这些参数和频率作为“基准状态参数”和“基准特征频率”。
4个关键基准状态参数分别为：Ma＝0.3，1/μg＝0.031，1/c＝0.808，1/AR＝0.055，基准特征频率为：N0＝1.305。
2)构建线性回归方程
选取20组飞机状态参数，分别采用连续紊流分析计算对应的阵风响应特征频率，接着构建4个“关键参数比值”与“特征频率比值”的多元线性回归方程(如下)，分别采用F检验法和t检验法对回归方程和回归系数进行显著性检验，结论是：回归方程和回归系数均显著。
Figure BDA0002815696660000041
3)计算各任务段的特征频率
根据任意任务段i的4个关键状态参数(Ma，1/μg，1/c，1/AR)，分别计算与基准状态参数的比值，代入第二步的线性回归方程计算N0比值，然后乘以第一步的基准N0可快速获取该任务段的特征频率(N0)i。
4)编制阵风载荷谱
根据一个寿命周期各任务段的高度范围和发生时间ti，由第三步的特征频率(N0)i，按照下式，计算各级阵风速度的总超越数，采用概率配对法，进而编制一个寿命周期的阵风载荷谱。
Figure BDA0002815696660000042
其中，n表示任务段总数、ti表示各任务段的发生时间、大气紊流环境参数P1、P2、b1、b2根据任务段所在的高度范围来确定。

Claims (7)

1.一种无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：选取一组飞机状态参数，采用连续紊流分析计算该状态下的飞机阵风响应特征频率N0，将这些参数和频率作为“基准状态参数”和“基准特征频率”；
第二步：选取多组飞机状态参数，分别采用连续紊流分析计算对应的飞机阵风响应特征频率，以4个关键参数Ma，1/μg，1/c，1/AR与基准状态参数的比值作为自变量，以特征频率与基准特征频率的比值作为因变量，构建“关键参数比值”与“特征频率比值”的多元线性回归方程，形式如下：
Figure FDA0003623903260000011
其中，Ma表示马赫数；c表示机翼平均气动弦长；AR表示机翼平均展弦比；μg表示飞机质量参数；k0～k4表示线性回归系数；
第三步：确定各任务剖面每个任务段的飞行状态参数，根据第二步的多元线性回归方程和第一步的基准状态参数和基准特征频率，可快速获取该任务段的阵风响应特征频率；
第四步：基于第三步获取的各任务段阵风响应特征频率，根据一个寿命周期各任务段的高度范围和发生时间，计算各级阵风速度的总超越数，采用概率配对法，按各任务剖面的执行顺序，即可编制一个寿命周期的阵风载荷谱。
2.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述第一步选取一组飞机状态参数为发生时间最长的任务段所对应的飞机状态参数。
3.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述飞机状态参数为阵风动态响应特性计算所需的所有相关参数。
4.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述第一步连续紊流分析是精细动态仿真分析或单自由度、二自由度刚体分析。
5.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述第二步飞机质量参数μg的计算公式为：
Figure FDA0003623903260000012
其中，G表示飞机重量N、CL α表示机翼升力线斜率1/rad、c表示机翼平均气动弦长m、S表示机翼参考面积m2，ρ表示所在高度的空气密度kg/m3、g表示重力加速度m/s2。
6.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述第三步快速获取该任务段的阵风响应特征频率，具体步骤为：
1)计算每个任务段的关键状态参数与第一步“基准状态参数”的比值；
2)将关键参数比值代入第二步的多元线性回归方程，求解该任务段的阵风响应特征频率比值；
3)将该比值乘以第一步“基准特征频率”获取该任务段的阵风响应特征频率。
7.如权利要求1所述的无人机阵风载荷谱快速编制方法，其特征在于，所述第四步概率配对法，指根据各级阵风载荷峰谷值的发生次数计算不同峰谷对的发生概率，构成能够统计代表机群母体可能经历的载荷循环。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113971375B (zh) * 2021-11-12 2024-04-09 北京航空航天大学 一种阵风环境下的无人机气动力预测方法
CN114218684B (zh) * 2021-12-30 2022-09-20 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种民机载荷谱中动态载荷放大因子确定方法
CN115840991B (zh) * 2023-02-20 2023-06-09 湖南云箭科技有限公司 飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统
CN116992576B (zh) * 2023-09-28 2023-12-12 成都流体动力创新中心 一种开口风洞无人机翼型气动力试验数据处理方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103646131A (zh) * 2013-11-26 2014-03-19 北京航空航天大学 一种考虑气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法
CN105550446A (zh) * 2015-12-14 2016-05-04 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 一种含舵面偏度的舵面载荷谱编制方法
CN106886638A (zh) * 2017-01-22 2017-06-23 北京理工大学 一种基于核密度估计的履带车辆传动轴载荷谱编制方法
CN110750851A (zh) * 2018-08-05 2020-02-04 北京航空航天大学 加速疲劳载荷谱编制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10040561B2 (en) * 2013-04-04 2018-08-07 Sunlight Photonics Inc. Airborne kinetic energy conversion system
CN106355007B (zh) * 2016-08-29 2019-01-18 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 一种飞机地空地损伤的确定方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103646131A (zh) * 2013-11-26 2014-03-19 北京航空航天大学 一种考虑气动弹性约束的复合材料机翼多目标优化设计方法
CN105550446A (zh) * 2015-12-14 2016-05-04 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 一种含舵面偏度的舵面载荷谱编制方法
CN106886638A (zh) * 2017-01-22 2017-06-23 北京理工大学 一种基于核密度估计的履带车辆传动轴载荷谱编制方法
CN110750851A (zh) * 2018-08-05 2020-02-04 北京航空航天大学 加速疲劳载荷谱编制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Distributed Control of Antenna Array with Formation of UAVs;Stefania Tonetti .etc;《IFAC Proceedings Volumes》;20160425;第44卷(第1期);7848-7853 *
抖振载荷谱等效简化方法试验研究;石元华等;《装备环境工程》;20200930;第17卷(第9期);118-121 *
阵风载荷谱的损伤分散性研究;朱俊贤等;《北京航空航天大学学报》;20200915;第47卷(第10期);2129-2137 *
飞机结构单机疲劳寿命监控技术研究综述;尚德广等;《北京工业大学学报》;20200630;第46卷(第6期);556-570 *

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