CN115840991A - 飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新一代信息技术，公开一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统。方法包括：根据飞机任务剖面中各任务段的时间占比和飞机机动过载系数在各任务段的实有出现频数计算飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数，并以其编制飞机机动过载载荷谱；飞机机动过载载荷谱在各任务段的谷值取1倍地面重力系数，峰值取取各任务段对应的载荷系数，峰值与谷值之间形成锯齿波，同一任务段内的机动过载载荷谱按峰值递减的顺序进行排序、且同一峰值所对应连续锯齿波的次数与相对应任务段机动过载系数实有频数相等；根据外挂物的挂点位置对飞机机动过载载荷谱的峰值进行放大处理后得到飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱。

Description

飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统

技术领域

本发明涉及新一代信息技术中基于特定计算模型的计算机系统，尤其涉及一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统。

背景技术

飞机外挂物挂机过载，指飞机外挂物随飞机在某段飞行时间内执行不同的任务段时，飞机外挂物受到的惯性载荷、气动载荷。在飞机外挂物设计寿命期间内，所受惯性载荷大小、气动载荷大小与作用循环次数组合成了飞机外挂物的挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱。随着飞机外挂产品挂飞使用次数的指标不断提高，外挂物的挂飞疲劳寿命问题及准确评估日益受到重视。飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱作为挂飞疲劳寿命评估的输入，可保证挂飞寿命精准预测和挂飞试验的安全。

目前，在飞机外挂物疲劳寿命评估过程中，疲劳载荷谱的确定过程非常复杂，可采用实测法进行确定。实测法主要是通过在外挂物上安装大量传感器，监测飞机在爬升、巡航、下滑等各种机动下外挂物上的过载和气动载荷，再对实测数据进行处理，最终形成载荷谱。该方法虽为实测真实数据，但需要大量实测才能保证数据可靠性，整个实测过程存在实测周期长、试验费用高、协调难度大、数据处理难等诸多客观不利因素。

目前相关标准只有飞机的过载统计数据，没有飞机到外挂物的挂机过载数据，且没有一套挂飞寿命期间飞机外挂物的挂机过载疲劳载荷谱编制方法，现存方法不完备的，未成系统，不能直接用于加载外挂物的挂飞疲劳寿命评估。

发明内容

本发明目的在于公开一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法及系统，可直接用于飞机外挂物的挂飞疲劳寿命评估，作为寿命评估的关键输入；以解决目前实测法存在的客观难题，弥补行业内飞机外挂物疲劳载荷谱编制方法不全、研究不充足等缺陷。

为达上述目的，本发明公开的飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法包括：

步骤S1、获取飞机任务剖面中各任务段的时间占比。

步骤S2、根据所述时间占比和飞机机动过载系数在各任务段的实有出现频数计算飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数。

步骤S3、根据所述飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数编制飞机机动过载载荷谱；所述飞机机动过载载荷谱在各任务段的谷值取1倍地面重力系数，峰值取取各任务段对应的载荷系数，峰值与谷值之间形成锯齿波，同一任务段内的机动过载载荷谱按峰值递减的顺序进行排序、且同一峰值所对应连续锯齿波的次数与相对应任务段机动过载系数实有频数相等。

步骤S4、根据外挂物的挂点位置对所述飞机机动过载载荷谱的峰值进行放大处理后得到飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱。

优选地，本实施例方法还包括：

步骤S5、获取飞机任务剖面中各任务段的高度和速度范围。

步骤S6、根据各任务段速度最大值、最小海拔高度所对应的空气密度、以及外挂物的迎风面积确定各任务段阵风载荷疲劳载荷谱峰值。

步骤S7、以各任务段阵风载荷疲劳载荷谱谷值为0，各任务段以锯齿波形生成外挂物阵风载荷疲劳载荷谱，所述外挂物阵风载荷疲劳载荷谱中各任务段的循环次数与所述飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱中各任务段的循环次数相等。

为达上述目的，本发明还公开一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述相对应的方法。

本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明提出了一种飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱的编制方法，形成了飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱编制流程，填补了现有技术的空白。

(2)、本发明直接通过各类机型机动过载载荷系数谱及累积出现频数，换算出对应机型的机动过载系数谱及实有出现频数，从而可计算出飞机外挂物的过载载荷谱。本发明无需获得实测数据，解决了目前传统方法的带来的实测周期长、试验费用高、协调难度大、数据处理难等不利因素。

(3)、本发明根据飞机机动与外挂物受载之间的联系，建立了飞机外挂物过载载荷谱与阵风载荷疲劳载荷谱之间的循环次数同步关系，解决了飞机外挂物过载载荷谱与阵风载荷疲劳载荷谱之间同步统计问题。

(4)、本发明是一种包含载荷谱峰值和频次的规律循环谱，计算输入时可参数化设置，而实际的载荷谱因数据无规律无法参数化设置，占用存储空间较大，影响输入和计算效率，因此本发明载荷谱编制方法提升了载荷谱的统计及疲劳寿命计算效率。

(5)、实际工况下，外载荷的载荷次序是无法预知和难以测量获取的，精确统计机载外挂物每个任务段内多个幅值等级、成千上万次过载载荷及阵风载荷的发生次序是不可能的。本发明载荷谱的编制方法，相对实际情况而言，应力水平更大，循环次数更多，编制出的载荷谱更为严苛。从产品研发设计角度，本方法在实际载荷谱载荷次序无法预知的客观事实下，在挂飞疲劳寿命评估过程中保证了足够的安全裕度，避免了结构疲劳强度发生“欠设计”。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例公开的飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱编制流程示意图。

图2是本发明实施例公开的飞机任务剖面示意图。

图3是本发明实施例公开的飞机机动过载载荷谱谱型示意图。

图4是本发明实施例公开的飞机第一个“巡航”任务段过载载荷谱谱波形示意图。

图5是本发明实施例公开的外挂物挂机过载峰值放大系数示意图。

图6是本发明实施例公开的飞机外挂物第一个“巡航”任务段过载载荷谱谱波形。

图7是本发明实施例公开的载荷谱编号命名规则示意图。

图8是本发明实施例公开的飞机外挂物第一个“巡航”任务段内部件1的阵风载荷疲劳载荷谱波形示意图。

图9是本发明实施例公开的基于疲劳载荷的雨流计数的循环分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱编制方法。

本实施例方法的核心在于：根据飞机提供的各飞行任务段外包络数据，筛选出能够代表某一类任务的典型任务剖面，并整理分析得出飞机在每个飞行任务剖面中各任务段的时间占比和速度范围；根据GJB 67.6A-2008各类机型机动过载系数谱及其在各任务段累积出现频数，换算出对应机型的机动过载系数谱及其在各任务段实有出现频数；根据飞机任务剖面，结合机动过载系数谱在各任务段实有出现频数，可计算出飞机在该任务剖面中机动过载系数谱及其在各任务段实有出现频数，即飞机过载载荷谱；结合外挂物在飞机上的挂点位置对飞机过载载荷谱进行放大处理，得到飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱；根据飞机在典型任务剖面中各任务段的飞行高度和飞行速度范围，计算出飞机外挂物每个部件在各任务段条件下的最大气动载荷，气动载荷循环次数与过载载荷谱中的各任务段循环总次数相对应，由此形成飞机外挂物阵风载荷疲劳载荷谱。

具体编制流程见图1，如图1所示，本发明技术方案主要包含以下几个步骤：

1）飞机任务剖面分析

根据飞机提供的各飞行任务段（爬升、巡航、下滑等）外包络数据，筛选出能够代表某一类任务的典型任务剖面，并整理分析得出飞机在每个飞行任务剖面中各任务段的时间占比和速度范围。

某飞机飞行任务剖面见表1。对应的任务剖面示意图如图2所示。

表1： 某飞机飞行任务剖面

2）飞机机动过载系数实有频数的确定

飞机机动过载系数在各任务段每1000飞行小时累积出现频数按GJB 67.6A-2008中表1-6给出。在每个任务段中，将某载荷系数对应累积出现频数减去高一级的载荷系数所对应的累积出现频数，换算出飞机机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数。

某飞机机动过载系数及各任务段累积出现频数见表2。

表2： 某飞机机动过载系数及各任务段累积出现频数（每1000飞行小时）

在每个任务段中，将载荷系数对应累积出现频数减去高一级的载荷系数所对应的累积出现频数，得出该载荷系数下实有出现的频次。某飞机载荷系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数见表3。

表3： 某飞机机动过载系数各任务段实有出现频数（每1000飞行小时）

值得说明的是，在该表3中，1000小时是针对单个任务的连续飞行时间。

3）飞机在飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数

飞机在飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数由飞机机动过载系数实有频数与各任务段时长占比确定。

（1）；

为飞机在飞行任务剖面中机动过载系数各任务段每1000飞行小时实有出现频数；

为飞机机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数；

为各任务段在飞机飞行任务剖面中所占的时长百分比。

公式含义说明：

表示飞机在飞行任务剖面中机动过载系数各任务段每1000飞行小时实有出现频数（如表4），计算

的目的是获得飞机在飞行任务剖面（表1）中过载系数在每1000飞行小时（1000飞行小时只是一个“时间单位”，来源于GJB 67.6A-2008，便于统计）实有出现频数；

表示飞机机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数（表3），是根据表2累积计算而来，表2来源于GJB 67.6A-2008，表2数据为美国飞机试验大数据统计结果；

表示各任务段在飞机飞行任务剖面中所占的时长百分比（表1）；举例说明：现在要计算表1中H07下滑任务段内飞机的机动过载系数出现的频数，H07下滑任务段在整个任务剖面中所占的时间为5.56%，根据公式3及表3数据，则H07下滑任务段内，飞机过载系数2对应的实有出现频数为14500x5.56%=806次/每1000小时，其他过载系数对应的频数依此类推，由此得到表4数据。

藉此，根据飞机任务剖面和机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数，计算出飞机在该任务剖面中机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数，见表4。

表4: 飞机飞行任务剖面中机动过载系数及其在各任务段实有出现频数

4）飞机机动过载载荷谱编制

飞机真实机动情况随机性很强，没有规律可寻，且缺乏实测数据可供参考。根据典型的疲劳载荷谱呈现锯齿波形的特征，且为便于快速统计载荷循环次数，认为在某一任务段内的机动过载载荷谱呈现按峰值递减、且规律的锯齿波形（如图3所示），其峰值为该任务段内的最大过载系数

，谷值为1（即地面重力系数）。

根据飞机在任务剖面中机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数得到飞机机动过载载荷谱。循环谱谷值取1，峰值

取各任务段对应的载荷系数，循环次数取各任务段载荷系数实有频数，飞机机动过载载荷谱见表5。特别地，为表达清晰，飞机第一个“巡航”任务段的机动过载循环谱波形如图4所示，其他任务段的机动过载循环谱波形类似。

表5：飞机机动过载载荷谱（每1000飞行小时）

5）飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱编制

同样地，飞机外挂物与飞机的载荷谱呈现相同规律谱型（参照图3），飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱谷值取过载系数1，峰值

根据实际挂机情况在飞机机动过载载荷谱峰值

的基础上进行适当的放大：

（2）；

式中：

为飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱峰值；

为飞机机动过载载荷谱峰值；

为放大系数。参照图5，其取值根据飞机挂点位置进行选取；其中，X向放大系数nx与挂点位置无关，Y、Z向放大系数ny、nz与挂点位置相关，机腹位置均取1，翼尖挂点位置分别取3、2，中间挂点位置处的放大系数取值大小按照距离线性插值。

飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱见表6.1和表6.2。特别地，为表达清晰，飞机外挂物第一个“巡航”任务段的机动过载循环谱波形如图6所示，其他任务段的机动过载循环谱波形类似。

表6.1：飞机外挂物挂机过载疲劳第一部分载荷谱（每1000飞行小时）

表6.2：飞机外挂物挂机过载疲劳第二部分载荷谱（每1000飞行小时）

值得说明的是，在本发明实施例的各表中，载荷谱编号命名的规则参照图7。

6）飞机外挂物阵风载荷疲劳载荷谱编制

根据飞机在典型任务剖面中各任务段的飞行高度和飞行速度范围，计算出飞机外挂物每个部件在各任务段条件下的最大气动载荷

，并将该气动载荷值作为各任务段中气动载荷谱的峰值；同样地，认为飞机外挂物气动载荷循环谱也呈规律的锯齿波形（参照图5），气动载荷循环谱的谷值取0（即未受到气动载荷），峰值取上述所得峰值。飞机在各任务段中的机动变化引起气动载荷谱峰值的变化，因此气动载荷循环次数与过载载荷谱中的各任务段循环总次数相对应，由此形成最终的气动载荷谱。

为保证计算出的载荷谱严苛程度能够覆盖真实情况，根据表1典型任务剖面中各任务段的飞行海拔高度范围，取最小海拔高度H，可知对应海拔高度下的空气密度ρ。

（3）

根据空气密度ρ和飞行速度v（在各任务段中取最大飞行速度），计算出飞机外挂物每个部件在各任务段条件下的可能的最大气动载荷Q，并将该值作为各任务段中阵风载荷疲劳载荷谱峰值。

（4）；

式中：ρ为相对应任务段的空气密度；v为相对应任务段的最大飞行速度；S为外挂物的迎风面积；Ct为升力系数，无量纲，指物体所受升力与气流动压和参考面积的乘积之比，一般通过CFD软件计算获得。

例如，爬升任务段H01中，高度0~8000m，取最小值0m，对应空气密度1.205 kg/m3；速度0.6~0.7Ma，取最大值0.7Ma，即238 m/s；部件1迎风面积0.1 m2；升力系数Ct通过CFD软件得出0.473。则部件1在爬升任务段H01中的阵风载荷疲劳载荷谱峰值为：

（5）

同理，其他部件在各任务段的阵风疲劳载荷谱峰值以此公式可得，见表7。飞机在各任务段中机动变化引起气动载荷峰值的变化，因此气动载荷循环次数与过载载荷谱中的各任务段循环总次数相对应，由此形成如图8所示的最终的飞机外挂物阵风载荷疲劳载荷谱。

表7：飞机外挂物阵风载荷疲劳载荷谱（每1000飞行小时）

综上，本实施例方法与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、提出了一种飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱的编制方法，形成了飞机外挂物挂机过载、阵风载荷疲劳载荷谱编制流程，填补了现有技术的空白。

(2)、直接通过各类机型机动过载载荷系数谱及累积出现频数，换算出对应机型的机动过载系数谱及实有出现频数，从而可计算出飞机外挂物的过载载荷谱。本发明无需获得实测数据，解决了目前传统方法的带来的实测周期长、试验费用高、协调难度大、数据处理难等不利因素。

(3)、根据飞机机动与外挂物受载之间的联系，建立了飞机外挂物过载载荷谱与阵风载荷疲劳载荷谱之间的循环次数同步关系，解决了飞机外挂物过载载荷谱与阵风载荷疲劳载荷谱之间同步统计问题。

(4)、本实施例是一种包含载荷谱峰值和频次的规律循环谱，计算输入时可参数化设置，而实际的载荷谱因数据无规律无法参数化设置，占用存储空间较大，影响输入和计算效率，因此本发明载荷谱编制方法提升了载荷谱的统计及疲劳寿命计算效率。

(5)、实际工况下，外载荷的载荷次序是无法预知和难以测量获取的，精确统计机载外挂物每个任务段内多个幅值等级、成千上万次过载载荷及阵风载荷的发生次序是不可能的。如图9所示，本发明与实际载荷谱的差别详述如下：

实际载荷谱的载荷次序呈现随机性，由图9可知，2g载荷1次，3g载荷1次、4g载荷2次、5g载荷1次、6g载荷1次、7g载荷2次、8g载荷1次、9g载荷1次，基于疲劳载荷的雨流计数原理，图中总共可提取四个全循环，该载荷次序随机排布的疲劳载荷谱为：“7g-6g-7g”1次、“3g-4g-3g”1次、“7g-4g-7g”1次、“8g-2g-8g”1次。

根据本实施例载荷谱编制方法，以载荷全循环次数最多、载荷峰谷差值最大为原则，每个载荷峰值都取一个“谷值-峰值-谷值”全循环。机动过载给出了载荷的极大值与极小值，过载实际谷值为1g。同理，气动计算得到阵风载荷作为峰值，谷值认为0。依此原则将上述载荷进行编制得到疲劳载荷谱则为：“1g-2g-1g”1次，“1g-3g-1g”1次、“1g-4g-1g”2次、“1g-5g-1g”1次、“1g-6g-1g”1次、“1g-7g-1g”2次、“1g-8g-1g”1次、“1g-9g-1g”1次。

在损伤评估过程中，S-N曲线中应力水平是通过应力幅值表示，且根据Miner线性损伤累计理论，结构总损伤值

由每个全循环疲劳载荷造成的损伤叠加而成，如下式：

（6）；

式中，

为每个全循环载荷造成的损伤值，

为第

个全循环载荷的实际发生次数，

为第

个全循环载荷在材料疲劳试验S-N曲线中对应的疲劳寿命次数。从上式可以看出，全循环载荷次数越多，疲劳损伤累计值越大。

由示例可知，本实施例载荷谱的编制方法，相对实际情况而言，应力水平更大，循环次数更多，编制出的载荷谱更为严苛。从产品研发设计角度，本实施例方法在实际载荷谱载荷次序无法预知的客观事实下，在挂飞疲劳寿命评估过程中保证了足够的安全裕度，避免了结构疲劳强度发生“欠设计”。

实施例2

本实施例公开一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例相对应的方法。其方法的核心在于：

步骤S1、获取飞机任务剖面中各任务段的时间占比。

步骤S2、根据所述时间占比和飞机机动过载系数在各任务段的实有出现频数计算飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数。

步骤S3、根据所述飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数编制飞机机动过载载荷谱；所述飞机机动过载载荷谱在各任务段的谷值取1倍地面重力系数，峰值取取各任务段对应的载荷系数，峰值与谷值之间形成锯齿波，同一任务段内的机动过载载荷谱按峰值递减的顺序进行排序、且同一峰值所对应连续锯齿波的次数与相对应任务段机动过载系数实有频数相等。

步骤S4、根据外挂物的挂点位置对所述飞机机动过载载荷谱的峰值进行放大处理后得到飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱。

优选地，本实施例方法还进一步包括：

步骤S5、获取飞机任务剖面中各任务段的高度和速度范围。

步骤S6、根据各任务段速度最大值、最小海拔高度所对应的空气密度、以及外挂物的迎风面积确定各任务段阵风载荷疲劳载荷谱峰值。

步骤S7、以各任务段阵风载荷疲劳载荷谱谷值为0，各任务段以锯齿波形生成外挂物阵风载荷疲劳载荷谱，所述外挂物阵风载荷疲劳载荷谱中各任务段的循环次数与所述飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱中各任务段的循环次数相等。

同理，本实施例系统的效果与上述实施例所取得的技术效果一致，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、获取飞机任务剖面中各任务段的时间占比；

步骤S2、根据所述时间占比和飞机机动过载系数在各任务段的实有出现频数计算飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数；

步骤S3、根据所述飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数编制飞机机动过载载荷谱；所述飞机机动过载载荷谱在各任务段的谷值取1倍地面重力系数，峰值取取各任务段对应的载荷系数，峰值与谷值之间形成锯齿波，同一任务段内的机动过载载荷谱按峰值递减的顺序进行排序、且同一峰值所对应连续锯齿波的次数与相对应任务段机动过载系数实有频数相等；

步骤S4、根据外挂物的挂点位置对所述飞机机动过载载荷谱的峰值进行放大处理后得到飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、获取飞机任务剖面中各任务段的高度和速度范围；

步骤S6、根据各任务段速度最大值、最小海拔高度所对应的空气密度、以及外挂物的迎风面积确定各任务段阵风载荷疲劳载荷谱峰值；

步骤S7、以各任务段阵风载荷疲劳载荷谱谷值为0，各任务段以锯齿波形生成外挂物阵风载荷疲劳载荷谱，所述外挂物阵风载荷疲劳载荷谱中各任务段的循环次数与所述飞机外挂物挂机过载疲劳载荷谱中各任务段的循环次数相等。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中各任务段阵风载荷疲劳载荷谱峰值的计算公式为：

；

；

其中，H为相应任务段的最小海拔高度；Q为相对应任务段中阵风载荷疲劳载荷谱峰值；ρ为相对应任务段的空气密度；v为相对应任务段的最大飞行速度；S为外挂物的迎风面积；Ct为升力系数。

4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中确定飞行任务剖面中各任务段机动过载系数实有频数的计算公式为：

；

其中，

为飞机在飞行任务剖面中机动过载系数各任务段每1000飞行小时实有出现频数；

为飞机机动过载系数在各任务段每1000飞行小时实有出现频数；

为各任务段在飞机飞行任务剖面中所占的时长百分比。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4的放大处理过程中，X向放大系数取值为1；Y和Z向放大系数与挂点位置相关，机腹位置均取1，翼尖挂点位置分别取3、2，中间挂点位置处的放大系数取值大小按照距离线性插值。

6.一种飞机外挂物疲劳载荷谱的编制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述的方法。

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