CN116306179B - 机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能制造中结构部件的测试，公开一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法及系统，以节约计算资源并确保评估的可靠性。方法包括：建立机载外挂物的有限元模型，获取外挂物吊挂处起落冲击时基于实测时域载荷所得的初始载荷谱，根据初始载荷谱中各个峰所对应的峰值、带宽及基于该有限元模型所对应材料疲劳极限的预期寿命确定筛选幅值，将初始载荷谱中峰值小于和等于所确定筛选幅值的部分进行置零处理得到筛选后的载荷谱，并根据筛选后的载荷谱对有限元模型进行起落冲击的寿命预测。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造中结构部件的测试，尤其涉及一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法及系统。
背景技术
机载外挂物通过吊挂悬挂于飞机挂架上，在服役期间会随载机经历复杂冲击环境，其中起落冲击最为严苛。起落冲击为短时间的高过载，受载过程中应力应变状态变化剧烈，不可避免地会产生疲劳损伤，而吊挂悬挂与挂架连接为刚性连接，外挂物在与飞机挂架的刚性接触中会承受比飞机本身更大的冲击过载。对于长航时的机载外挂物，其服役期需承受数十上百次起落冲击，评估机载外挂物的起落冲击疲劳损伤，在其全服役周期寿命的评估中具有重要地位。
在研发设计阶段，现有机载外挂物一般通过仿真和试验考核起落冲击环境适应性，而复杂起落冲击载荷有着复杂、高量值、波动大等特点，直接运用实测载荷开展瞬态仿真求解计算时间过久，需要耗费大量的计算资源，不利于工程应用。
发明内容
本发明的主要目的在于公开一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法及系统，以节约计算资源并确保评估的可靠性。
为达上述目的，本发明公开一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法，包括：
步骤S1、建立机载外挂物的有限元模型。
步骤S2、获取外挂物吊挂处起落冲击时基于实测时域载荷所得的初始载荷谱，根据初始载荷谱中各个峰所对应的峰值和带宽确定初始筛选幅值，并根据所有峰中峰值绝对值最大的值与所有峰中峰值绝对值最小的值之间的间隔确定筛选幅值的区间调整步长。
步骤S3、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命，如果是，转步骤S4，否则，转步骤S5。
步骤S4、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向上迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命小于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最小值为最终的筛选幅值。
步骤S5、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向下迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命大于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最大值为最终的筛选幅值。
步骤S6、将初始载荷谱中峰值小于和等于步骤S4或步骤S5所确定最终的筛选幅值的部分进行置零处理得到筛选后的载荷谱，并根据筛选后的载荷谱对有限元模型进行起落冲击的寿命预测。
为达上述目的，本发明还公开一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选的系统，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的方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
流程简单，实施手段便捷。通过对基于实测所得的初始载荷谱根据有限元模型所对应材料疲劳极限的预期寿命进行筛选得到筛选后的载荷谱，从而使得被过滤的载荷谱数据产生的损伤较小到能忽略，从而在不影响冲击损伤评估可靠性的前提下，极大的减少了瞬态动力学求解的步数，提高了计算效率。本发明可在设计初期即可评估机载外挂物可承受起落冲击而不发生疲劳失效的次数，进而为机载外挂物的抗冲击疲劳设计提供参考和指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例所公开的机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法流程示意图。
图2为本发明实施例所公开的初始载荷谱中峰、峰值、带宽、时间步长的示意图。
图3是本发明实施例所公开的受拉破坏临界平面。
图4是本发明实施例所公开的受剪破坏临界平面。
图5是本发明实施例所公开的一种基于实测时域载荷所得的初始载荷谱的示意图。
图6是本发明实施例所公开的对图5中载荷谱峰值小于和等于的筛选幅值的部分进行置零处理得到筛选后的载荷谱的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例公开一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、建立机载外挂物的有限元模型。
在该步骤中，可根据机载外挂物结构特征，简化CAD三维模型和建立有限元模型，确保有限元模型与实际结构质量矩阵分布、刚度矩阵分布及阻尼比一致。赋予相关材料的弹塑性力学性能参数，如循环应变硬化指数及循环强度系数等。明确机载外挂物与载机的吊挂接口类型，使得有限元分析边界条件与真实约束状态一致。其中，CAD模型是结构设计人员设计出的模型，对于仿真校核而言，需要先对CAD模型进行简化，比如：去除部分倒角倒圆、删除小孔、去除logo等，以便于划分有限元网格，进而形成有限元模型。
优选地，该步骤的吊挂接口类型包括吊耳式吊挂和推脱式/导轨式吊挂。对于吊耳式吊挂及防摆止动器的组合，机载外挂物与防摆止动器接触的区域为主要承压面，边界条件设定限制该区域的表面法向位移。对于推脱式及导轨式吊挂，吊挂为主要承压件，前吊挂限制其垂向及侧向的平动及轴向的转动，后吊挂限制其三个轴向的平动及轴向的转动。如有其他类型的边界条件也应符合机载外挂物的真实约束状态。
步骤S2、获取外挂物吊挂处起落冲击时基于实测时域载荷所得的初始载荷谱，根据初始载荷谱中各个峰所对应的峰值和带宽确定初始筛选幅值，并根据所有峰中峰值绝对值最大的值与所有峰中峰值绝对值最小的值之间的间隔确定筛选幅值的区间调整步长。
优选地，在该步骤中，确定初始筛选幅值的方法包括：
根据杜哈梅积分确定系统对非周期性激励的响应为：
；
其中，为在/>至/>的微小间隔内，激励力产生的冲量脉冲；为脉冲响应函数，且：
；
其中，和/>为分别为系统的无阻尼和有阻尼固有频率；/>为阻尼比；仅对冲量脉冲进行积分求解，判断激励力在整个载荷谱持续期间产生的冲量有：
；
其中，为初始载荷谱峰的数量，/>为第/>个峰对应的带宽；则初始筛选幅值/>可以下式确定：
；
其中，为初始载荷谱中各个峰中所分别对应带宽中的最大带宽。
进一步地，考虑到影响载荷筛选迭代过程，较小的区间宽度会导致载荷迭代筛选过程重复次数过多，使得计算效率降低；而较大的区间宽度会使载荷筛选精度降低，不利于筛选出无效载荷。结合起落冲击载荷最大幅值一般在20g（其中，g为重力加速度单位）以内，选择幅值差的/>倍作为区间宽度。藉此，调整步长的确定方法为：
其中，为所有峰中峰值绝对值最大的值，/>为所有峰中峰值绝对值最小的值。
藉此，在图2中，若：
，且/>，则可以将此五个峰分为两个区间。
步骤S3、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命，如果是，转步骤S4，否则，转步骤S5。
在该步骤中，如图2所示，图中载荷谱共5个峰，所谓“峰”即：载荷谱中幅值从0开始到再次等于0时的曲线段；峰值即为该曲线段中绝对值最大的幅值；为对应峰的幅值；其中，s=1,2,3,4,5；各个峰对应的带宽为Ts；Δt为时间步长（在瞬态分析中，求解器将整个求解过程离散为许多个细小的时间段，每一段所需要的时间即时间步长），Δt≤Ts/4，表明每个峰至少进行4次求解，共4个求解步。因为每一个峰必须至少4步，才能完整的反应这个峰的相应特征；如：半正弦波，通过4个点才能基本反应波形、幅值和宽度。为此，求解步与时间步长对应，每个时间步长进行一次求解，称为求解步。
在该步骤中，优选地，材料疲劳极限的预期寿命可确定为。其原理在于：
材料寿命趋于无穷大时所对应的应力，称为材料的疲劳极限。工程实际中，疲劳极限通过试验给出，而试验无法一直持续下去，所以一般给定一个比较大的次数作为材料的无限寿命次数，对于焊接件，取；对于钢材，取/>；对于有色金属，取/>。对于机载外挂物而言，起落冲击次数一般为有限次数，如某型机载外挂物寿命周期要求挂载起落次数为50次，起落冲击载荷一般在200ms，以载荷谱单个峰带宽0.02ms计算，则：
在载荷谱筛选过程中，筛选过滤出的载荷峰值必然小于个，所以可将无限寿命次数取值为：/>次。
在该步骤中，冲击寿命的计算方法可以采用下述优选地方式：
步骤一、瞬态动力学求解，具体包括：
根据载荷谱各个幅值对应的带宽确定求解时间步长和应力应变结果输出频率（即输出频次，指的是每多少个时间步输出一次应力应变结果），开展瞬态动力学分析，输出机载外挂物的全局应力应变时间历程；基于结构外表面建立临界平面（对于多轴疲劳，在所有发生应力的方向上，材料都会产生损伤，在经过足够的循环和损伤积累后，疲劳裂纹最终会在某一个平面上产生和扩展，此平面即临界平面），如图3及图4所示，考虑疲劳破坏存在受拉破坏和受剪破坏，选取10°作为间隔角度，分别建立18个与外表面呈90°或45°的平面（对于仿真分析而言，提取每个点任意方向的应力是不现实的，所以选取10°作为间隔角度，提取每个点18个平面对应的应力，以此等效所有方向的应力），提取36个平面上的法向和切向应力，构建90°和45°两个临界平面所分别对应的张开型裂纹等效应力和剪切型裂纹等效应力/>；其中：
；
；
式中，为整个时间历程内某临界平面应力范围；/>为临界平面平均应力；为材料抗拉强度；/>为整个时间历程内某临界平面剪应力范围；/>为材料参数；/>为临界平面法向应力。
根据等效应力计算临界平面应变：
；
式中，为材料弹性模量；/>为包括/>和/>的集。
步骤二、构建应变幅值-累计频数损伤谱，具体包括：
利用雨流计数法对步骤一中的临界平面等效应力和应变历程进行处理，得到应变循环的计数，记录每个应变循环中相同时间范围内应变和应力的最大值及最小值，计算每个循环的应变幅值、平均应力/>和应力幅/>：
；
；
；
式中，为最大临界平面等效应力；/>为最小临界平面等效应力。
将所有循环的应变幅值从小到大排列，在最大应变幅值和最小应变幅值的区间内分成有限个数的等级区块，并记录每个等级范围内的循环出现频数，配合每个区块的最大应变幅值，构建应变幅值-累计频数的损伤谱。
步骤三、评估起落冲击损伤，具体包括：
将步骤三中每个等级循环的应变幅值和平均应力代入ε-N曲线，得到每个等级的循环寿命：
；
式中，为材料决定的疲劳强度指数；/>为材料决定的疲劳延性指数；/>为材料决定的疲劳延性系数。
将该应变幅值等级对应的实际循环次数除以疲劳寿命/>得到损伤值/>：
；
当所有个等级的循环载荷作用下时，冲击损伤值/>为：
；
获得冲击损伤值的倒数则为机载外挂物承受该冲击发生疲劳失效的冲击载荷次数。
在上述冲击寿命计算过程中，与常用的通过雨流计数法对时域载荷进行处理得到结构损伤相比，通过瞬态动力学求解保留了冲击时域载荷的载荷时间历程，也能考虑阻尼对结构应力的影响，计算精度更高。与之对比的是：传统的有限元仿真评估方法一般通过雨流计数法对实测载荷进行处理进而求解损伤，此种方法忽略了载荷时间历程对结构带来的累积损伤问题，也无法考虑阻尼对结构应力的影响，计算精度较低。
步骤S4、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向上迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命小于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最小值为最终的筛选幅值。
在该步骤中，带宽为每个峰所对应的时间长度，最大带宽为区间内所有峰对应的带宽中最大值。
步骤S5、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向下迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命大于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最大值为最终的筛选幅值。
步骤S6、将初始载荷谱中峰值小于和等于步骤S4或步骤S5所确定最终的筛选幅值的部分进行置零处理得到筛选后的载荷谱，并根据筛选后的载荷谱对有限元模型进行起落冲击的寿命预测。
在该步骤中，对比参照图5和图6，初始载荷谱中未置零处理部分的幅值和时间长度不变。
有限元仿真求解过程中，时间步长根据幅值大小和带宽确定，每个低幅值峰都会增加至少4次求解步，当载荷谱中有着数量众多的低幅值峰时，会极大的降低求解效率；此外，对于瞬态动力学求解而言，系统的响应取决于幅值以及其对应的带宽的大小和载荷的相位，低幅值峰对系统的响应影响可以忽略不计，故而对机载外挂物损伤影响可以忽略上述步骤S4或步骤S5所确定最终的筛选幅值，同时考虑载荷相位对系统响应的影响，保留载荷谱中其余峰值、带宽和对应相位不变，确保筛选后载荷谱引起的系统响应与实测时域载荷引起的一致，使得筛选前后起落冲击载荷导致的机载外挂物损伤保持一致，在保证损伤计算求解准确度的同时极大的提升求解效率，对于机载外挂物起落冲击损伤评估具有极大的工程实际价值。
优选地，在冲击损伤计算（该步骤S6的计算过程可与上述步骤S2类似，不做赘述）的过程中，时间步长和应力应变结果输出频率根据幅值大小确定，当幅值大于10g时，每个独立的峰求解载荷步设置为8次；幅值大于5g小于10g时设置为6次；幅值小于5g时设置为4次；幅值为0时取筛选后载荷谱的所有幅值对应最小带宽作为时间步长。
可选地，作为区分上述步骤S2的一种变形，也可以分别建立9个与外表面呈90°或45°的平面，即每20°建立一个。
本发明分析方法流程简单，实施手段便捷。通过对起落冲击实测载荷进行筛选得到冲击载荷输入谱，与常用的通过雨流计数法对时域载荷进行处理得到结构损伤相比，保留了冲击时域载荷的载荷时间历程，也能考虑阻尼对结构应力的影响，计算精度更高，同时还极大的减少了瞬态动力学求解的步数，提高了计算效率。本方法在设计初期即可评估机载外挂物可承受起落冲击而不发生疲劳失效的次数，可为机载外挂物的抗冲击疲劳设计提供参考和指导。
基于本实施例的方法，位于上述步骤S1后、步骤S6之间的步骤，由于采用单个峰放大后的平直谱进行处理，确保了最终的筛选幅值具有足够的安全余量，而且整个处理过程通常在十分钟之内即可予以处理完毕。在本实施例的一具体应用实验中，筛选后载荷谱引起的结构应力分布状态相对实测时域载荷接近，而求解花费时间从未经筛选处理的15小时变成了筛选后的7个小时。从而佐证了：筛选后载荷谱引起的结构损伤与筛选前保持一致，在保证求解精度和准确度的同时还可以减少计算量提高计算效率，为机载外挂物起落冲击损伤评估提供了更有效的考核方法。
实施例2
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种机载外挂物损伤评估用实测时域载荷的筛选系统，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。
综上，本发明上述实施例所分别公开的方法及系统，至少具有以下技术效果：
流程简单，实施手段便捷。通过对基于实测时域载荷所得的初始载荷谱根据有限元模型所对应材料疲劳极限的预期寿命进行筛选得到筛选后的载荷谱，从而使得被过滤的载荷谱数据产生的损伤较小到能忽略，从而在不影响冲击损伤评估可靠性的前提下，极大的减少了瞬态动力学求解的步数，提高了计算效率。本发明可在设计初期即可评估机载外挂物可承受起落冲击而不发生疲劳失效的次数，进而为机载外挂物的抗冲击疲劳设计提供参考和指导。
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 (3)
1.一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立机载外挂物的有限元模型；
步骤S2、获取外挂物吊挂处起落冲击时基于实测时域载荷所得的初始载荷谱，根据初始载荷谱中各个峰所对应的峰值和带宽确定初始筛选幅值，并根据所有峰中峰值绝对值最大的值与所有峰中峰值绝对值最小的值之间的间隔确定筛选幅值的区间调整步长/>；
步骤S3、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命，如果是，转步骤S4，否则，转步骤S5；
步骤S4、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向上迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命小于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最小值为最终的筛选幅值；
步骤S5、选取峰值绝对值在区间内的所有峰的最大带宽，计算有限元模型在当前最大带宽内幅值放大至都为/>的单个载荷谱所对应的冲击寿命是否大于对应材料疲劳极限的预期寿命；如果否，按区间调整步长向下迭代直至有限元模型在目标区间的冲击寿命大于或等于对应材料疲劳极限的预期寿命，确定该目标区间的区间最大值为最终的筛选幅值；
步骤S6、将初始载荷谱中峰值小于和等于步骤S4或步骤S5所确定最终的筛选幅值的部分进行置零处理得到筛选后的载荷谱，并根据筛选后的载荷谱对有限元模型进行起落冲击的寿命预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整步长的确定方法为：
；
其中，为所有峰中峰值绝对值最大的值，/>为所有峰中峰值绝对值最小的值。
3.一种机载外挂物起落冲击损伤评估用载荷筛选系统，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2任一所述的方法。
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