CN115345439B - 基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，包括：获取目标航空发动机的飞行任务剖面；根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频；根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制。本发明不需要选取整个飞行任务剖面进行任务谱编制，减少了计算量，提高了编制效率，且编谱的精度高；本发明对编谱后的任务谱进行验证，提高了编谱的准确性；本发明的编谱方法应用范围广，应用性强；本发明选取任务段为编谱单元，结合飞行任务剖面中的任务段混频，计算方法更简洁有效。

Description

基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编 制方法
技术领域
本发明涉及任务谱编制技术领域，尤其是基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法。
背景技术
目前，在对航空发动机的使用过程中，需要研究航空发动机的综合任务谱，综合任务谱即通过一次参数载荷历程来代表飞机在使用过程中载荷随时间的变化，现有技术中，航空发动机综合任务谱的编制，主要以剖面为基本单元，以设计任务循环为依据，并结合飞机的功率状态和实际飞行状况，确定原始谱各状态下的任务循环和大状态下的保持时间，按照低周疲劳，蠕变和热冲击三大损伤等效的原理，将每个机动任务相同任务段和相同载荷循环乘以任务混合频率，然后进行加权平均或者基于经典的极限载荷理论，使用混合分布模型来描述载荷谱的载荷分布，采用正态分布拟合中低数值载荷，采用广义极值分布拟合高数值载荷，提高载荷谱统计结果的准确度后，编制发动机的综合任务谱。
但是这种方法以飞行剖面或飞行任务作为编谱单元进行综合任务的编制，存在方法老旧、精度不高、飞行任务剖面所包含的信息量十分庞大难以处理等问题。
发明内容
为了解决现有技术中在对航空发动机进行任务谱编制时，精度低，数据量大难以处理的问题，本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法。
本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，包括：
获取目标航空发动机的飞行任务剖面；
根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频；
根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制。
可选的，所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面，包括：
获取所述目标航空发动机的飞行动作；
对所述目标航空发动机的飞行动作进行识别，获取所述目标航空发动机的飞行任务剖面。
可选的，所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面之后，所述方法还包括：对所述目标航空发动机的飞行任务剖面进行预处理，包括：
获取所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面；所述不同时段包括飞机启动滑行段、上升段、中间段、下降段和落地滑行段；
获取目标航空发动机的转速谱和高度谱；
根据所述目标航空发动机的转速谱和高度谱，将所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面划分为起飞段和降落段。
可选的，所述根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，包括：
获取目标航空发动机的飞行训练大纲，所述飞行训练大纲包括目标航空发动机的飞行任务、每个飞行任务的持续时间以及每个飞行任务的次数；
根据第一预设公式，获取目标航空发动机的总飞行时长；
根据第二预设公式，获取目标航空发动机的飞行总架次。
可选的，所述根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，还包括：
根据第三预设公式，获取目标航空发动机在预设时期内的任务混频；
根据第四预设公式，获取目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
可选的，根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，还包括：
根据所述目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频，获取任务段混频，所属市任务段混频为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务段混频。
可选的，所述第一预设公式为：
其中，T为目标航空发动机的总飞行时长，i为目标航空发动机的飞行任务，Ti为每个飞行任务的持续时间，n为飞行任务的个数；Si为每个飞行任务的次数；
所述第二预设公式为：
其中，S为目标航空发动机的飞行总架次。
可选的，所述第三预设公式为：
其中，MIXA为目标航空发动机在预设时期内的任务混频，A为预设时期；
所述第四预设公式为：
其中，mixAi为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
可选的，所述根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制，包括：
将所述目标航空发动机的任务段混频按照幅值变化降序排列；
根据飞行动作以及任务段长度对任务段进行重新组合与拼接，获取目标航空发动机的任务谱编制。
可选的，所述方法还包括：
将编制后的目标航空发动机的任务谱与所述目标航空发动机的转速谱进行损伤一次性检验，获取雨流幅值累积概率的对比图；
根据所述雨流幅值累积概率的对比图，验证所述编制后的目标航空发动机的任务谱的准确性。
本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，包括：获取目标航空发动机的飞行任务剖面；根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频；根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制。
本发明不需要选取整个飞行任务剖面进行任务谱编制，减少了计算量，提高了编制效率，且编谱的精度高；本发明对编谱后的任务谱进行验证，提高了编谱的准确性；本发明的编谱方法应用范围广，应用性强；本发明选取任务段为编谱单元，结合飞行任务剖面中的任务段混频，计算方法更简洁有效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的某型航空发动机一个飞行任务剖面的起飞段和降落段划分示意图；
图3为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的转速谱雨流滤波结果图；
图4为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的载荷片段局部放大图；
图5为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的机动类转速综合任务谱；
图6为本发明实施例公开的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法的雨流幅值累积概率的对比图。
具体实施方式
为了解决现有技术中在对航空发动机进行任务谱编制时，精度低，数据量大难以处理的问题，本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法。
本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，参见
图1的流程图，包括：
S101，获取目标航空发动机的飞行任务剖面。
所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面，包括：
获取所述目标航空发动机的飞行动作。
对所述目标航空发动机的飞行动作进行识别，获取所述目标航空发动机的飞行任务剖面。
所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面之后，所述方法还包括：对所述目标航空发动机的飞行任务剖面进行预处理，包括：
获取所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面。所述不同时段包括飞机启动滑行段、上升段、中间段、下降段和落地滑行段。
获取目标航空发动机的转速谱和高度谱。
根据所述目标航空发动机的转速谱和高度谱，将所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面划分为起飞段和降落段。
选取35个飞行任务的某型航空发动机为例，图2是某型航空发动机一个飞行任务剖面的起飞段和降落段划分示意图，整个划分过程通过其转速谱和高度谱的组合表示。图中可以看出，该飞行任务剖面有飞机启动滑行段、上升段、中间段、下降段和落地滑行段，所以本发明划分任务段方法把滑行段和上升段统称为起飞段，下降段和落地滑行段统称为降落段，由于启动滑行和落地滑行是每个飞行任务必须经历的阶段，且飞机在启动滑行时转速变化剧烈，但是启动滑行与落地滑行的变化和执行与飞行任务基本无关，所以本发明不考虑启动滑行与落地滑行段对发动机转速带来的影响，因实测飞行参数在采集过程中会受到电器干扰等因素，所以选取在航空发动机领域内常用方法雨流计数法进行对原始转速谱的滤波处理。图3是转速谱雨流滤波结果图，图4为载荷片段局部放大图。
通过以上步骤将某型发动机的飞行任务剖面原始载荷数据预处理后，如若处理大量飞行剖面数据，需在进行划分归纳总结典型任务段之前，采用聚类方法对飞行剖面处理，再结合依据飞行动作的载荷谱任务段划分方法，对飞行任务剖面的转速谱进行任务段的划分，由此总结归纳出有代表性的典型任务段，因数据分析量较大，选取其中一类飞行任务剖面进行主要说明表1为一类飞行任务剖面转速任务段划分结果：
表1第一类飞行任务剖面转速任务段划分结果
可以看出前五个剖面主要由水平快转90°、水平快转180°以及高度变化为2000m的跃升及俯冲转弯组成。根据转速任务段的形态可以看出，单纯的快速转弯引起的几乎都是发动机转速的骤升或者骤降，而伴随着高度急剧变化的转弯所引起的转速任务段相对复杂，转速变化区间也较大。根据统计可知，完成水平快转180°这一飞行动作需耗时30～40s，转速的变化在6左右；而完成水平快转90°这一飞行动作所需要的时间大致为20s；完成俯冲1200m上升300m并转弯240°这一复杂动作需要耗时140s，且转速变化区间在75～95之间，可以看出复杂动作引起的转速变化更为剧烈。
S102，根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，包括：
获取目标航空发动机的飞行训练大纲，所述飞行训练大纲包括目标航空发动机的飞行任务、每个飞行任务的持续时间以及每个飞行任务的次数。
根据第一预设公式，获取目标航空发动机的总飞行时长。
根据第二预设公式，获取目标航空发动机的飞行总架次。
根据第三预设公式，获取目标航空发动机在预设时期内的任务混频。
根据第四预设公式，获取目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
根据所述目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频，获取任务段混频，所属市任务段混频为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务段混频。
所述第一预设公式为：
其中，T为目标航空发动机的总飞行时长，i为目标航空发动机的飞行任务，Ti为每个飞行任务的持续时间，n为飞行任务的个数。Si为每个飞行任务的次数。
所述第二预设公式为：
其中，S为目标航空发动机的飞行总架次。
所述第三预设公式为：
其中，MIXA为目标航空发动机在预设时期内的任务混频，A为预设时期。
所述第四预设公式为：
其中，mixAi为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
在调查之前，第一步需要分析发动机的训练大纲，并确定定时段抽样调查的部队或者飞行团，确定要调查的时间段。
根据飞行日志统计各飞行训练课目和飞行任务，获得各飞行任务名称或者课目号的飞行总次数和总时长，统称为任务次数和任务总时间。根据发动机履历本，经统计获得发动机飞行开车次数(区分为冷起动次数、热起动次数)和地面维护试车次数(区分为冷起动次数、热起动次数)，以及发动机地面维护试车总时间。
以上的步骤及公式是由整个飞行任务计算获得的发动机任务混频，而任务段相比于飞行任务同样具有与实际操作相关的意义，并且任务段作为组成载荷谱的最小单元，与需要执行的飞行任务和飞行动作密切相关，所以本节根据任务混频公式类比得到任务段混频公式。假设经统计35个飞行任务剖面最终获得了m类任务段，各个任务段的持续时间为Tij，出现的频次为Sij，通过计算可以得到以下信息。
目标航空发动机的总飞行时长：
目标航空发动机的飞行总架次：
目标航空发动机在一定时期A内的任务段混频为：
目标航空发动机的各飞行任务在时间内A的任务段混频为：
表2机动类任务段混频统计
根据表1和表2可知，在14个机动类飞行任务剖面样本中，典型任务段有15种。其中，任务段“转180°下降2000m上升2000m转180°”出现的频次最多，共统计到20个此类任务段。而同一“下降2000m转180°上升2000m转180°”飞行动作，由于完成的时间不同，导致转速也有较大区别，因此可以分为2种任务段，在编制综合任务谱时应该分别考虑。在机动类的典型任务段中，由水平动作引起的转速变化很少，仅有快速盘旋是飞机在水平方向上完成的，其他大多数飞行动作都伴随着高度的变化。
S103，根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制。
所述根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制，包括：
将所述目标航空发动机的任务段混频按照幅值变化降序排列。
根据飞行动作以及任务段长度对任务段进行重新组合与拼接，获取目标航空发动机的任务谱编制。
将编制后的目标航空发动机的任务谱与所述目标航空发动机的转速谱进行损伤一次性检验，获取雨流幅值累积概率的对比图。
根据所述雨流幅值累积概率的对比图，验证所述编制后的目标航空发动机的任务谱的准确性。
航空发动机在实际服役过程中会受到多种类型的损伤，主要包括热冲击损伤、低周疲劳损伤和蠕变损伤。其中热冲击损伤主要发生在发动机的功率从慢车到最大的反复变化当中，低周疲劳损伤主要发生在发动机的几类循环当中，如0-最大-0、慢车-最大-慢车、巡航-最大-巡航这三类，而蠕变损伤主要是由持续载荷部分对高温部件造成的损伤所引起的。这三类损伤往往相互伴随、同时发生，属于热机械中典型的疲劳损伤。
综合任务谱是以一类飞行任务剖面的平均飞行时间为时间历程来代表此类飞行任务剖面的使用情况的平均谱。本技术以典型任务段为编谱单元，结合飞行任务剖面中各典型任务段混频，进行机动类综合任务谱编制。综合任务谱编制过程中，典型任务段出现的频率应与原飞行任务剖面样本中的频率保持一致，从而保证综合任务谱与实测谱疲劳损伤的一致性。根据综合任务谱与实测谱损伤等效原则，综合任务谱应与原飞行任务样本载荷谱对发动机及其零部件造成的热冲击损伤、低周疲劳损伤和蠕变损伤是一致的。对于热冲击损伤的研究，目前尚未有明确的量化公式，因此只要保证编谱前后的次循环数量一致便可认为热冲击损伤是相同的；低周疲劳损伤和蠕变分别由载荷的低循环和大状态的持续时间所引起，所以要保证编谱前后的损伤一致性，就要满足以下几点：转速载荷的循环数相同；各量级转速载荷的保持时间相同；各典型任务段的出现频率与实测谱典型任务段混频保持一致。
从图5中可以看出，机动类转速综合任务谱整体的转速变化范围在70～100之间。在整个综合任务谱中几乎都是由转速幅度变化为30的任务段组成，小幅度变化的转速任务段很少，这是由于机动类飞行任务剖面执行的任务的性质以及相对应飞行动作的复杂性所引起的。中间部分主要由“转180°下降2000m上升2000m转180°”和“下降2000m转180°上升2000m转180°”这两个典型任务段组成，后半段主要由“水平快转360°”这一典型任务段组成，虽然此任务段频次为10，属于出现较多的任务段之一，但由于其持续时间仅为50s，所以混频较其他典型任务段相比还有差距。
从图6可以看出，以典型任务段为编谱单元的机动类综合任务谱包含了14个剖面样本中大多数由机动动作引起的转速循环，累积概率对比结果可以说明编制谱与实测谱对发动机造成的低周疲劳损伤基本一致，验证了此编谱方法的准确性。
本发明公开了基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，包括：获取目标航空发动机的飞行任务剖面；根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频；根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制。
本发明不需要选取整个飞行任务剖面进行任务谱编制，减少了计算量，提高了编制效率，且编谱的精度高；本发明对编谱后的任务谱进行验证，提高了编谱的准确性；本发明的编谱方法应用范围广，应用性强；本发明选取任务段为编谱单元，结合飞行任务剖面中的任务段混频，计算方法更简洁有效。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，包括：
获取目标航空发动机的飞行任务剖面；
根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频；
根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制；
所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面，包括：
获取所述目标航空发动机的飞行动作；
对所述目标航空发动机的飞行动作进行识别，获取所述目标航空发动机的飞行任务剖面；
所述获取目标航空发动机的飞行任务剖面之后，所述方法还包括：对所述目标航空发动机的飞行任务剖面进行预处理，包括：
获取所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面；所述不同时段包括飞机启动滑行段、上升段、中间段、下降段和落地滑行段；
获取目标航空发动机的转速谱和高度谱；
根据所述目标航空发动机的转速谱和高度谱，将所述目标航空发动机不同时段的飞行任务剖面划分为起飞段和降落段；
所述根据所述任务段混频，进行目标航空发动机的任务谱编制，包括：
将所述目标航空发动机的任务段混频按照幅值变化降序排列；
根据飞行动作以及任务段长度对任务段进行重新组合与拼接，获取目标航空发动机的任务谱编制；
所述方法还包括：
将编制后的目标航空发动机的任务谱与所述目标航空发动机的转速谱进行损伤一次性检验，获取雨流幅值累积概率的对比图；
根据所述雨流幅值累积概率的对比图，验证所述编制后的目标航空发动机的任务谱的准确性。
2.根据权利要求1所述的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，所述根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，包括：
获取目标航空发动机的飞行训练大纲，所述飞行训练大纲包括目标航空发动机的飞行任务、每个飞行任务的持续时间以及每个飞行任务的次数；
根据第一预设公式，获取目标航空发动机的总飞行时长；
根据第二预设公式，获取目标航空发动机的飞行总架次。
3.根据权利要求2所述的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，所述根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，还包括：
根据第三预设公式，获取目标航空发动机在预设时期内的任务混频；
根据第四预设公式，获取目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
4.根据权利要求3所述的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，根据所述目标航空发动机的飞行任务剖面，获取任务段混频，还包括：
根据所述目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频，获取任务段混频，所属市任务段混频为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务段混频。
5.根据权利要求4所述的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，所述第一预设公式为：
其中，T为目标航空发动机的总飞行时长，i为目标航空发动机的飞行任务，Ti为每个飞行任务的持续时间，n为飞行任务的个数；Si为每个飞行任务的次数；
所述第二预设公式为：
其中，S为目标航空发动机的飞行总架次。
6.根据权利要求5所述的基于与操作相关任务段及其混频的航空发动机综合任务谱编制方法，其特征在于，所述第三预设公式为：
其中，MIXA为目标航空发动机在预设时期内的任务混频，A为预设时期；
所述第四预设公式为：
其中，mixAi为目标航空发动机的飞行任务在预设时期内的任务混频。
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