CN113933086B - 实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，包括步骤：一、外场低温环境中飞机整机的飞机关键运动机构的性能定量分析；二、低温环境试验条件剪裁；三、实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能定量测量；四、剪裁温度数据的修正；五、确定停发后飞机的冷浸透时间；六、优化实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱。本发明将低温环境试验对飞机整机作用机理融入到剪裁过程，考虑外场自然环境与实验室内的等效性分析与环境试验验证，实现了剪裁方式和思路有效拓展，利用幂函数和四次多项式的函数特点，分段分析滑油数据变化，提高飞机冷浸透识别效率，优化出飞机实验室低温环境试验谱，标准试验次数下，缩短单次试验时间。

Description

实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法
技术领域
本发明属于飞机整机低温环境试验条件剪裁优化技术领域，具体涉及一种实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法。
背景技术
现有的飞机气候试验是在气候实验舱内模拟环境条件下，例如高温、低温、淋雨、降雾、降雪、冻雨、积冰和太阳辐照等典型气候环境，按照规定的条件和试验顺序，让测试飞机经受各种气候环境应力的作用，从而对其环境适应性进行考核。气候试验中的低温环境是指从20℃至-40℃以下的气候环境，GJB 6117－2007《装备环境工程术语》对实验室环境试验剪裁的定义是：“对装备寿命期各阶段实验室环境试验工作及内容等进行剪裁，是环境工程剪裁的组成部分”，另外，确定试验温度范围和试验测试循环次数是检验飞机质量性能的重要环节。现有的气候环境试验主要包括明确产品特性、气候环境剖面和设计试验。剪裁得到环境试验项目、试验的条件及参数量值、试验程序、试验顺序和失效准则。这是一种对普通产品环境试验设计的通用方法，不适用于全状态飞机，飞机整机在温度60℃左右的跨度范围内，低温环境试验的成本高，有效性差，需要对温度范围进行裁剪，现有针对实验室内飞机整机低温环境试验剪裁技术的研究极少进行，即便进行，也是进行温度零散，随机试验，对于飞机APU极端环境启动试验需要考虑飞机在实验室内冷浸时间，在实验室内飞机整机环境试验过程中，飞机并非一直处于上电状态，即无法实时观察飞机滑油系统在低温环境下冷浸透规律，现有的技术方案是根据经验让实验室长期处于极端低温环境，造成资源浪费，增大实验成本，因此，现如今缺少一种实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，剪裁出飞机整机低温环境试验温度范围和冷浸透时间，优化出飞机实验室低温环境试验谱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，将低温环境试验对飞机整机作用机理融入到剪裁过程，并深入考虑外场自然环境与内场实验室的等效性分析与环境试验验证，实现了剪裁方式和思路有效拓展，使得飞机整机实验室气候环境试验更真实合理，该气候环境试验剪裁方法理论性强、可操作性和通用性好，并拟合出极端低温下滑油温度和时间参数完整的变化规律，提高计算与分析效率，利用幂函数和四次多项式的函数特点，分段分析滑油数据变化，提高飞机冷浸透识别效率，优化出飞机实验室低温环境试验谱，便于后期在标准试验次数下，缩短单次试验时间，优化全机环境试验方案和提高试验效率，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、外场低温环境中飞机整机的飞机关键运动机构的性能定量分析：输入外场环境参数，利用仿真软件对飞机整机进行低温环境试验，得到低温条件下的飞机关键运动机构的热变形云图，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
所述外场环境参数包括环境压力、湿度、风速、风向、辐照度和20℃至-40℃的低温环境；
所述飞机关键运动机构包括飞机APU、起落架、舱门、襟翼、缝翼、机体结构、机身蒙皮、液压系统、发动机短舱和空调系统；
所述飞机关键运动机构的性能变化量包括飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量；
步骤二、低温环境试验条件剪裁：根据飞机关键运动机构的性能变化量剪裁外场低温环境的温度范围；
飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量各自具有各自的变化量阈值，当在外场低温环境的温度节点上各个变化量均未超过各自变化量阈值时，剪裁剔除该外场低温环境的温度节点；当在外场低温环境的温度节点上任一变化量超过其变化量阈值时，保留该外场低温环境的温度节点，保留的外场低温环境的温度节点为剪裁后的外场低温环境的试验温度；
步骤三、实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能定量测量：调节实验室温度依次达到剪裁后的外场低温环境的试验温度，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
步骤四、剪裁温度数据的修正：调节实验室内温度，将相对应的温度下的实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量调整至外场低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量，获取剪裁后的外场低温环境的试验温度在实验室内的修正温度；
步骤五、确定停发后飞机的冷浸透时间，过程如下：
步骤501、发动机以慢车稳定运行为起点，关闭发动机，滑油系统中滑油温度随之下降，根据滑油温度数据下降至发动机停放滑油冷浸透温度的特点，采用分段式函数对滑油温度数据进行数据拟合，所述分段式函数包括四次多项式函数和幂函数，四次多项式函数和幂函数的分界点为四次多项式函数斜率为0的时间；
调节实验室内温度至飞机APU启动试验对应的剪裁修正温度，利用采样时间间隔为△t的采样周期对滑油温度数据进行全程采样，采用四次多项式函数和幂函数对滑油温度数据进行数据拟合，获取滑油温度降温曲线，直至滑油温度降温曲线拟合误差满足拟合误差阈值，则滑油温度降温函数
Figure 367985DEST_PATH_IMAGE001
，其中，t为采样点数编号变量且t=1，2，...，N，N为采样总点数，n为滑油温度降温函数取四次多项式函数时斜率为0时的采样点数编号，
Figure 104996DEST_PATH_IMAGE002
为四次多项式函数的拟合系数，F为幂函数的拟合系数，G为幂函数的拟合指数，K为幂函数的拟合平移数；
步骤502、利用冷浸透实时温度反算采样点数编号，利用采样点数编号与采样时间间隔为△t的乘积获取冷浸透时间；
步骤六、优化实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱：根据剪裁后的实验室内的修正温度、飞机关键运动机构各个低温环境试验时间和停发后飞机的冷浸透时间绘制优化后的实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱。
上述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述拟合误差阈值不大于0.01。
上述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：步骤五中，选择
Figure 628382DEST_PATH_IMAGE003
检验评价拟合是否满足拟合误差。
上述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述采样时间间隔△t为25ms～60s。
上述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述采样时间间隔△t为31ms。
上述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述仿真软件为CATIA仿真软件。
本发明的有益效果是，将低温环境试验对飞机整机作用机理融入到剪裁过程，并深入考虑外场自然环境与内场实验室的等效性分析与环境试验验证，实现了剪裁方式和思路有效拓展，使得飞机整机实验室气候环境试验更真实合理，该气候环境试验剪裁方法理论性强、可操作性和通用性好，并拟合出极端低温下滑油温度和时间参数完整的变化规律，提高计算与分析效率，利用幂函数和四次多项式的函数特点，分段分析滑油数据变化，提高飞机冷浸透识别效率，优化出飞机实验室低温环境试验谱，便于后期在标准试验次数下，缩短单次试验时间，优化全机环境试验方案和提高试验效率，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，包括以下步骤：
步骤一、外场低温环境中飞机整机的飞机关键运动机构的性能定量分析：输入外场环境参数，利用仿真软件对飞机整机进行低温环境试验，得到低温条件下的飞机关键运动机构的热变形云图，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
所述外场环境参数包括环境压力、湿度、风速、风向、辐照度和20℃至-40℃的低温环境；
所述飞机关键运动机构包括飞机APU、起落架、舱门、襟翼、缝翼、机体结构、机身蒙皮、液压系统、发动机短舱和空调系统；
所述飞机关键运动机构的性能变化量包括飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量；
步骤二、低温环境试验条件剪裁：根据飞机关键运动机构的性能变化量剪裁外场低温环境的温度范围；
飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量各自具有各自的变化量阈值，当在外场低温环境的温度节点上各个变化量均未超过各自变化量阈值时，剪裁剔除该外场低温环境的温度节点；当在外场低温环境的温度节点上任一变化量超过其变化量阈值时，保留该外场低温环境的温度节点，保留的外场低温环境的温度节点为剪裁后的外场低温环境的试验温度；
步骤三、实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能定量测量：调节实验室温度依次达到剪裁后的外场低温环境的试验温度，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
步骤四、剪裁温度数据的修正：调节实验室内温度，将相对应的温度下的实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量调整至外场低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量，获取剪裁后的外场低温环境的试验温度在实验室内的修正温度；
步骤五、确定停发后飞机的冷浸透时间，过程如下：
步骤501、发动机以慢车稳定运行为起点，关闭发动机，滑油系统中滑油温度随之下降，根据滑油温度数据下降至发动机停放滑油冷浸透温度的特点，采用分段式函数对滑油温度数据进行数据拟合，所述分段式函数包括四次多项式函数和幂函数，四次多项式函数和幂函数的分界点为四次多项式函数斜率为0的时间；
调节实验室内温度至飞机APU启动试验对应的剪裁修正温度，利用采样时间间隔为△t的采样周期对滑油温度数据进行全程采样，采用四次多项式函数和幂函数对滑油温度数据进行数据拟合，获取滑油温度降温曲线，直至滑油温度降温曲线拟合误差满足拟合误差阈值，则滑油温度降温函数
Figure 58226DEST_PATH_IMAGE004
，其中，t为采样点数编号变量且t=1，2，...，N，N为采样总点数，n为滑油温度降温函数取四次多项式函数时斜率为0时的采样点数编号，
Figure 988267DEST_PATH_IMAGE002
为四次多项式函数的拟合系数，F为幂函数的拟合系数，G为幂函数的拟合指数，K为幂函数的拟合平移数；
实际实施中，以-40℃的极端低温条件作为飞机APU启动试验对应的剪裁修正温度为例，在-40℃的极端低温条件下，发动机停放滑油冷浸透温度均值为-36.03℃，发动机慢车稳定运行滑油温度均值为54.04℃，在-40℃极端环境温度下发动机停发后，滑油温度随之下降，降至-8.71℃前，滑油温度下降规律更符合四次多项式形式拟合曲线，即
Figure 263391DEST_PATH_IMAGE005
；降至-8.71℃后，滑油温度下降规律更符合幂函数形式拟合曲线，因此极端温度下发动机滑油温度降温函数
Figure 906861DEST_PATH_IMAGE006
，当滑油温度由54.04℃重新降至-36.03℃时，所对应的时间坐标点为671280，采样时间间隔△t为31ms，表明滑油温度降至-36.03℃所需时间为20809.68s，即5.78h。
需要说明的是，相比直接用时间和温度关系拟合滑油温度降温函数曲线，利用采样点数编号变量和温度数据拟合滑油温度降温函数曲线，极大的缩减了曲线拟合的计算量，拟合效果好。
需要说明的是，四次多项式函数曲线呈“∩”型或倒“∪”型，而发动机试车起动时滑油温度试验数据逐步下降且逼近收敛于一个温度极值，即更符合幂函数特征，但是发动机试车起动时滑油温度试验数据逐步下降中，四次多项式函数效果更佳，因此，采用四次多项式函数和幂函数组合的分段式函数对滑油温度数据进行数据拟合。
步骤502、利用冷浸透实时温度反算采样点数编号，利用采样点数编号与采样时间间隔为△t的乘积获取冷浸透时间；
步骤六、优化实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱：根据剪裁后的实验室内的修正温度、飞机关键运动机构各个低温环境试验时间和停发后飞机的冷浸透时间绘制优化后的实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱。
本实施例中，所述拟合误差阈值不大于0.01。
本实施例中，步骤五中，选择
Figure 242028DEST_PATH_IMAGE003
检验评价拟合是否满足拟合误差。
本实施例中，所述采样时间间隔△t为25ms～60s。
本实施例中，所述采样时间间隔△t为31ms。
本实施例中，所述仿真软件为CATIA仿真软件。
需要说明的是，在飞机不上电的情况下，以最快的速度获取滑油冷浸透时间，提前舱门、手柄、液压系统、飞控系统、发动机短舱和空调系统进行极端低温环境试验的时间，同时缩短飞机APU进行极端低温启动试验时间，提高试验效率，冷浸透时间的确定合理优化全机环境试验方案。
本发明使用时，将低温环境试验对飞机整机作用机理融入到剪裁过程，并深入考虑外场自然环境与内场实验室的等效性分析与环境试验验证，实现了剪裁方式和思路有效拓展，使得飞机整机实验室气候环境试验更真实合理，该气候环境试验剪裁方法理论性强、可操作性和通用性好，并拟合出极端低温下滑油温度和时间参数完整的变化规律，提高计算与分析效率，利用幂函数和四次多项式的函数特点，分段分析滑油数据变化，提高飞机冷浸透识别效率，优化出飞机实验室低温环境试验谱，便于后期在标准试验次数下，缩短单次试验时间，优化全机环境试验方案和提高试验效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、外场低温环境中飞机整机的飞机关键运动机构的性能定量分析：输入外场环境参数，利用仿真软件对飞机整机进行低温环境试验，得到低温条件下的飞机关键运动机构的热变形云图，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
所述外场环境参数包括环境压力、湿度、风速、风向、辐照度和20℃至-40℃的低温环境；
所述飞机关键运动机构包括飞机APU、起落架、舱门、襟翼、缝翼、机体结构、机身蒙皮、液压系统、发动机短舱和空调系统；
所述飞机关键运动机构的性能变化量包括飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量；
步骤二、低温环境试验条件剪裁：根据飞机关键运动机构的性能变化量剪裁外场低温环境的温度范围；
飞机APU的启动时间变化量、起落架的变形量和收放时间变化量、舱门的变形量和手柄开启力变形量、襟翼的收放时间变形量、缝翼的收放时间变形量、机体结构的变形量、机身蒙皮的变形量、液压系统的油温压变化量、发动机短舱的锁关闭力变形量和空调系统的调温时间变化量各自具有各自的变化量阈值，当在外场低温环境的温度节点上各个变化量均未超过各自变化量阈值时，剪裁剔除该外场低温环境的温度节点；当在外场低温环境的温度节点上任一变化量超过其变化量阈值时，保留该外场低温环境的温度节点，保留的外场低温环境的温度节点为剪裁后的外场低温环境的试验温度；
步骤三、实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能定量测量：调节实验室温度依次达到剪裁后的外场低温环境的试验温度，获取飞机关键运动机构的性能变化量；
步骤四、剪裁温度数据的修正：调节实验室内温度，将相对应的温度下的实验室内低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量调整至外场低温环境中飞机关键运动机构的性能变化量，获取剪裁后的外场低温环境的试验温度在实验室内的修正温度；
步骤五、确定停发后飞机的冷浸透时间，过程如下：
步骤501、发动机以慢车稳定运行为起点，关闭发动机，滑油系统中滑油温度随之下降，根据滑油温度数据下降至发动机停放滑油冷浸透温度的特点，采用分段式函数对滑油温度数据进行数据拟合，所述分段式函数包括四次多项式函数和幂函数，四次多项式函数和幂函数的分界点为四次多项式函数斜率为0的时间；
调节实验室内温度至飞机APU启动试验对应的剪裁修正温度，利用采样时间间隔为△t的采样周期对滑油温度数据进行全程采样，采用四次多项式函数和幂函数对滑油温度数据进行数据拟合，获取滑油温度降温曲线，直至滑油温度降温曲线拟合误差满足拟合误差阈值，则滑油温度降温函数
Figure 754879DEST_PATH_IMAGE001
，其中，t为采样点数编号变量且t=1，2，...，N，N为采样总点数，n为滑油温度降温函数取四次多项式函数时斜率为0时的采样点数编号，
Figure 423758DEST_PATH_IMAGE002
为四次多项式函数的拟合系数，F为幂函数的拟合系数，G为幂函数的拟合指数，K为幂函数的拟合平移数；
步骤502、利用冷浸透实时温度反算采样点数编号，利用采样点数编号与采样时间间隔为△t的乘积获取冷浸透时间；
步骤六、优化实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱：根据剪裁后的实验室内的修正温度、飞机关键运动机构各个低温环境试验时间和停发后飞机的冷浸透时间绘制优化后的实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱。
2.按照权利要求1所述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述拟合误差阈值不大于0.01。
3.按照权利要求1所述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：步骤五中，选择
Figure 417122DEST_PATH_IMAGE003
检验评价拟合是否满足拟合误差。
4.按照权利要求1所述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述采样时间间隔△t为25ms～60s。
5.按照权利要求4所述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述采样时间间隔△t为31ms。
6.按照权利要求1所述的实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，其特征在于：所述仿真软件为CATIA仿真软件。
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