CN114861488A - 一种空腔结构载荷谱编制方法 - Google Patents

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陈忠明
沈重
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Abstract

本申请属于载荷谱设计技术领域，特别涉及一种空腔结构载荷谱编制方法。该方法包括步骤S1、获得空腔结构动力学特性；步骤S2、确定空腔结构开舱投掷悬挂物时的飞行工况；步骤S3、确定空腔结构每次开舱投掷悬挂物过程中各状态的时间与总时间，制订出时间谱；步骤S4、进行声振载荷预计，确定声振载荷谱以及总声压级；步骤S5、根据声振载荷谱以及总声压级计算空腔结构开舱投放悬挂物各工况的各状态的空腔结构损伤量；步骤S6、根据开舱平均损伤量，确定平均应力循环损伤量；步骤S7、根据平均应力循环损伤量、空腔结构结构频率，确定声振疲劳应力；步骤S8、根据声振疲劳应力计算出空腔结构的声振压力谱级；步骤S9、确定声振载荷谱的总声压级以及PSD曲线。

Description

一种空腔结构载荷谱编制方法
技术领域
本申请属于载荷谱设计技术领域，特别涉及一种空腔结构载荷谱编制方法。
背景技术
飞机在起降爬升、巡航、机动等过程中，不可避免的会产生气动噪声，同时伴随着结构振动。从空气动力学角度考虑，空腔结构的开启、悬挂物投放、舱门的关闭是一个非定常过程，舱门及悬挂物位置会形成以分离为主的流动、舱内会形成非定常的空腔流动，在超音速时还伴有激波产生，空腔结构附近的流场将变得非常复杂。在这种情况下，舱门、舱体及悬挂物将承受显著的非定常流引起的动载荷及超音速冲击载荷。空腔结构、悬挂物非定常气动载荷及冲击载荷的准确计算以及载荷谱编制直接关系着飞机的结构强度设计和飞行安全。
飞机的载荷谱就是描述飞机结构在整个服役期内所经历的载荷时间历程。在进行飞机结构疲劳试验的前期，编制适当的载荷谱是一个极其重要的环节，国内外专门针对空腔载荷谱编制技术方法的资料很少，大多是针对飞机及其部件载荷谱编制技术的资料，需要将飞机及其部件载荷谱编制技术扩展应用到空腔结构上，或者说研究空腔结构载荷谱编制技术具有创新性。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种空腔结构载荷谱编制方法，主要包括：
步骤S1、建立空腔结构动力学有限元模型，获得空腔结构动力学特性；
步骤S2、确定空腔结构开舱投掷悬挂物时的飞行工况；
步骤S3、确定空腔结构每次开舱投掷悬挂物过程中各状态的时间与总时间，制订出时间谱，投掷悬挂物过程具有悬挂物、投放悬挂物及空腔三种状态；
步骤S4、对空腔结构开舱投掷悬挂物时各工况下各状态进行声振载荷预计，确定声振载荷谱以及总声压级；
步骤S5、根据声振载荷谱以及总声压级计算空腔结构开舱投放悬挂物各工况的各状态的空腔结构损伤量；
步骤S6、根据开舱平均损伤量，确定平均应力循环损伤量；
步骤S7、根据平均应力循环损伤量、空腔结构结构频率，确定声振疲劳应力；
步骤S8、根据声振疲劳应力计算出空腔结构的声振压力谱级；
步骤S9、确定声振载荷谱的总声压级以及PSD曲线。
优选的是，步骤S1包括：
步骤S11、通过载荷计算，确定在开舱门时受载荷作用最大的壁板；
步骤S12、对该壁板进行模态分析，获得其结构动力学特性。
优选的是，步骤S2中，所述飞行工况包括飞行高度及马赫数。
优选的是，步骤S5进一步包括：
步骤S51、计算空腔结构循环损伤量；
步骤S52、根据时间谱和结构的频率计算出各工况的总损伤量以及每次开舱平均损伤量。
优选的是，步骤S6中，确定平均应力循环损伤量为每次开舱平均损伤量除以频率后，再除以每次开舱时间。
优选的是，步骤S9进一步包括：根据各工况1/3倍频程中心频率密度分布趋势，拟合出空腔的载荷谱曲线。
本申请在空腔结构各种状态载荷精确计算的基础上，计算各种状态空腔结构的损伤量，从而编制飞机空腔载荷谱，供飞机空腔结构进行声、振响应与疲劳分析使用。
附图说明
图1是本申请空腔结构载荷谱编制方法的一优选实施例的流程图。
图2为本申请图1所示实施例的拟合的空腔载荷谱示意图。
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方式中的附图，对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，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方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请提供了一种空腔结构载荷谱编制方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、建立空腔结构动力学有限元模型，获得空腔结构动力学特性。
以某空腔结构为例，空腔结构包括前壁板、后壁板，两侧壁板、上壁板和舱门。经过载荷计算，在开舱门时后壁板的载荷最大，所以以空腔结构后壁板为对象编制载荷谱。
对其进行模态分析得到空腔结构后壁板的动力特性，前四阶固有频率分别为71.2Hz、206Hz、299Hz、354Hz。
步骤S2、确定空腔结构开舱投掷悬挂物时的飞行工况，主要包括高度和马赫数。
选择10km(高空)、8km(中空)和3km(低空)；马赫数选择1.5Ma和0.85Ma。根据以上几种工况编制空腔载荷谱，如表1所示。
表1空腔结构开舱工况
工况 1 2 3 4 5 6
高度Km 3 8 10 3 8 10
马赫数Ma 0.85 0.85 0.85 1.5 1.5 1.5
步骤S3、确定空腔结构每次开舱投掷悬挂物过程中各状态的时间与总时间，制订出时间谱，投掷悬挂物过程具有悬挂物、投放悬挂物及空腔三种状态。
空腔结构投放悬挂物，每次舱门从打开到关闭所需时间6s。整个投放过程中，空腔结构经历三个步骤：有悬挂物、投放悬挂物和空腔，分别经历1s、1s和4s。
步骤S4、对空腔结构开舱投掷悬挂物时各工况下各状态进行声振载荷预计，确定声振载荷谱以及总声压级。
各状态下的时间和总声压级如表2所示。
表2某空腔开舱工况
Figure BDA0003599589670000031
Figure BDA0003599589670000041
步骤S5、根据声振载荷谱以及总声压级计算空腔结构开舱投放悬挂物各工况的各状态的空腔结构损伤量。
某空腔后壁板的声疲劳寿命预估采用DSR法。根据后壁板的几何尺寸和结构形式，其DSRJZ＝27.6MPa。孔填充系数AS、合金表面处理系数BS、划窝深度因子CS和加强因子US均取1。
DSR＝DSRJZ·(AS·BS·CS·DS)＝27.6×1×1×1×1＝27.6MPa
因此后壁板细节声疲劳额定值为27.6MPa。
典型飞机结构在宽带随机噪声载荷激励下的声振响应主要取决于结构的第一阶固有频率，其频率值可通过试验或理论分析得到。根据空腔后壁板的模态分析结果，其频率值f1＝71.2Hz。
在宽带随机噪声激励下，飞机结构在其固有频率上产生动应力响应。根据基本结构响应频率和每一飞行状态对应的时间，可计算每一飞行状态的循环数ni：
ni＝f·Ti
具体结果如表3所示。
表3空腔每个状态循环数
Figure BDA0003599589670000051
将分贝声压级Li转换为单位带宽的分贝声压级Lf，然后用声压换算图把各中心频率上的Lf值转换成均方根压力值，最后将该均方根压力值平方，就得到压力谱级Lpsi：
Figure BDA0003599589670000052
计算单位应力响应σs/Lps：
σs/Lps＝C2Cre(b/tw)。
式中σs/Lps单位振幅均布压力加在板表面时动应力响应；b壁板短边尺寸；tw腹板厚度；C2构型系数为1000；cre曲率修正系数1。
空腔后壁板典型试验件短边尺度b为420mm，腹板厚度tw为3mm。
Figure BDA0003599589670000061
最终计算其单位应力响应值为1.4×105MPa。
计算声疲劳应力
Figure BDA0003599589670000062
根据有效飞行段的噪声载荷和单位应力响应值，计算空腔后壁板的声疲劳应力和每个应力循环损伤，具体见表4。
表4声疲劳应力和每个应力循环损伤
Figure BDA0003599589670000063
根据每个开舱工况和各工况内空腔状态(挂载投放物、投放该投放物和投完之后的空腔状态)得到每种工况下的总损伤量，如表5所示。
表5声疲劳应力和每个应力循环损伤
Figure BDA0003599589670000071
假设飞机在工作时各种工况出现的概率一致，所以根据表5每个工况下的总损伤量，得到每次开舱平均损伤量：
Figure BDA0003599589670000072
计算声疲劳总寿命NT：
Figure BDA0003599589670000073
空腔后壁板寿命(投掷次数)为4068。
步骤S6、根据开舱平均损伤量，确定平均应力循环损伤量。
根据每次开舱平均损伤量MT＝2.46×10-4，可以推导出应力循环损伤，应力循环损伤量＝每次开舱平均损伤量/(频率×每次开舱时间)。
m＝MT/(f×6)＝5.75×10-7。
步骤S7、根据平均应力循环损伤量、空腔结构结构频率，确定声振疲劳应力。
步骤S8、根据声振疲劳应力计算出空腔结构的声振压力谱级。
根据公式：
Figure BDA0003599589670000081
得到压力谱级：
Lpsi＝1.42×10-4MPa/Hz1/2。
步骤S9、确定声振载荷谱的总声压级以及PSD曲线。
得到声振载荷谱的总声压级为161dB。根据各种工况1/3倍频程中心频率密度分布趋势，拟合出空腔的载荷谱，如图2所示。
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 (6)

1.一种空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立空腔结构动力学有限元模型，获得空腔结构动力学特性；
步骤S2、确定空腔结构开舱投掷悬挂物时的飞行工况；
步骤S3、确定空腔结构每次开舱投掷悬挂物过程中各状态的时间与总时间，制订出时间谱，投掷悬挂物过程具有悬挂物、投放悬挂物及空腔三种状态；
步骤S4、对空腔结构开舱投掷悬挂物时各工况下各状态进行声振载荷预计，确定声振载荷谱以及总声压级；
步骤S5、根据声振载荷谱以及总声压级计算空腔结构开舱投放悬挂物各工况的各状态的空腔结构损伤量；
步骤S6、根据开舱平均损伤量，确定平均应力循环损伤量；
步骤S7、根据平均应力循环损伤量、空腔结构结构频率，确定声振疲劳应力；
步骤S8、根据声振疲劳应力计算出空腔结构的声振压力谱级；
步骤S9、确定声振载荷谱的总声压级以及PSD曲线。
2.如权利要求1所述的空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S1包括：
步骤S11、通过载荷计算，确定在开舱门时受载荷作用最大的壁板；
步骤S12、对该壁板进行模态分析，获得其结构动力学特性。
3.如权利要求1所述的空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S2中，所述飞行工况包括飞行高度及马赫数。
4.如权利要求1所述的空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：
步骤S51、计算空腔结构循环损伤量；
步骤S52、根据时间谱和结构的频率计算出各工况的总损伤量以及每次开舱平均损伤量。
5.如权利要求1所述的空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S6中，确定平均应力循环损伤量为每次开舱平均损伤量除以频率后，再除以每次开舱时间。
6.如权利要求1所述的空腔结构载荷谱编制方法，其特征在于，步骤S9进一步包括：根据各工况1/3倍频程中心频率密度分布趋势，拟合出空腔的载荷谱曲线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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