RU2568959C1

RU2568959C1 - Determination of dynamic performances of aircraft airframe components

Info

Publication number: RU2568959C1
Application number: RU2014139145/28A
Authority: RU
Inventors: Октай Саил Оглы Мамедов; Валерий Николаевич Поповский; Андрей Васильевич Смотров; Светлана Александровна Смотрова
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2015-11-20

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: first, reference specimens are used the dependence of structural material damping capability on various factors. Then, aircraft airframe natural structure is used at the ground to define the dynamic characteristics including the dependence of oscillation damping parameters on various parameters for the airframe intrinsic flexible modes. Then, calculated is the list of conservative natural flexible modes of aircraft airframe structure in the range of flight cruising speeds. Then, in flight at identical modes symmetric or asymmetric deflection of aircraft control members is used to excite the harmonic or polyharmonic oscillations. At the start of planned operation and at specified period measured data of oscillation transducers arranged at controlled structural elements are used as well as aircraft forces oscillation excitation forces to define the dynamic characteristics of the main harmonic and nonlinear oscillations for conservative modes. Negative change in oscillation damping parameters in aircraft operation indicates the deterioration of the strength performances of structural elements.

EFFECT: higher accuracy of determination of aircraft structural elements.

3 dwg

Description

Изобретение относится к экспериментальной аэромеханике и может быть использовано при исследованиях динамических характеристик основных элементов конструкции летательного аппарата (крыло, фюзеляж, горизонтальное и вертикальное оперение, пилон двигателя) во время эксплуатации.The invention relates to experimental aeromechanics and can be used to study the dynamic characteristics of the main structural elements of an aircraft (wing, fuselage, horizontal and vertical tail, engine pylon) during operation.

При решении задач динамики и прочности летательных аппаратов важное место занимает определение их основных динамических характеристик - резонансные (собственные) частоты, формы и параметры затухания колебаний, к которым относятся: добротность колебательной системы, коэффициент затухания колебаний, показатель затухания колебаний, логарифмический декремент колебаний. Параметры затухания колебаний характеризуют меру рассеяния механической энергии и перехода ее в тепловую энергию, например в виде внутреннего трения, иначе такое явление называют демпфированием. При эксплуатации летательных аппаратов (ЛА) различают аэродинамическое демпфирование и конструкционное демпфирование.In solving the problems of the dynamics and strength of aircraft, an important place is played by the determination of their main dynamic characteristics - resonant (natural) frequencies, shapes and parameters of vibration damping, which include: quality factor of the vibration system, coefficient of vibration damping, vibration damping index, and logarithmic decrement of vibration. The vibration damping parameters characterize the measure of the dispersion of mechanical energy and its transition into thermal energy, for example, in the form of internal friction, otherwise this phenomenon is called damping. During the operation of aircraft (LA), aerodynamic damping and structural damping are distinguished.

Известен способ определения логарифмического декремента колебаний, когда его находят по частотам экстремумов резонансной кривой действительной части амплитуды при наземных частотных испытаниях (Жаров Е.А., Смыслов В.И. Резонансные испытания модели самолета с использованием специализированного комплекса оборудования. Труды ЦАГИ, выпуск 1335. Москва, Издательский отдел ЦАГИ, 1971, с.5).There is a method of determining the logarithmic decrement of vibrations when it is found from the frequencies of the extrema of the resonance curve of the real part of the amplitude during ground-based frequency tests (Zharov E.A., Smyslov V.I. Resonance tests of an airplane model using a specialized equipment complex. TsAGI proceedings, issue 1335. Moscow, TsAGI Publishing Department, 1971, p.5).

Известны способы определения конструкционного демпфирования элементов ЛА с помощью модального анализа по результатам наземных частотных испытаний (Вард Хейлен, Стефан Ламменс, Пол Сас. Модальный анализ: теория и испытания. Москва, «Новатест», 2010, с.112-114,252-265), а также во время летных испытаний (Клячко М.Д., Арнаутов Е.В. Летные прочностные испытания самолетов. Динамические нагрузки. Москва, Машиностроение, 1984, с.106-113). Для планера ЛА, изготовленного преимущественно из металлических материалов, полагают, что величина внутреннего трения мала. Поэтому при рассмотрении проблем аэроупругой устойчивости, например, безопасности от явлений флаттера и неустойчивости системы «упругий ЛА - САУ», конструкционным демпфированием, как правило, пренебрегают (Энциклопедия. Авиация. Главный редактор Г.П. Свищев. Москва, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1994, с.631). Определение изменений величины конструкционного демпфирования ЛА в процессе его эксплуатации связано со значительными прямыми (проведение наземных частотных испытаний) и косвенными затратами (ЛА на длительное время выводится из эксплуатации). В силу малости величин (по сравнению с аэродинамическим демпфированием) определение конструкционного демпфирования в полете во время эксплуатации ЛА существующими методами практически невозможно.Known methods for determining the structural damping of aircraft components using modal analysis based on the results of ground frequency tests (Ward Halen, Stefan Lammens, Paul Sas. Modal analysis: theory and testing. Moscow, Novatest, 2010, pp. 112-114,252-265), as well as during flight tests (Klyachko MD, Arnautov EV Flight strength tests of aircraft. Dynamic loads. Moscow, Engineering, 1984, pp. 106-113). For an airframe made primarily of metallic materials, it is believed that the internal friction is small. Therefore, when considering problems of aeroelastic stability, for example, safety from flutter phenomena and instability of the "elastic LA - ACS" system, structural damping is usually neglected (Encyclopedia. Aviation. Editor-in-chief G. P. Svishchev. Moscow, Scientific Publishing House "Big Russian" Encyclopedia ", 1994, p.631). The determination of changes in the structural damping of an aircraft during its operation is associated with significant direct (ground frequency tests) and indirect costs (aircraft is decommissioned for a long time). Due to the small size (compared with aerodynamic damping), the determination of structural damping in flight during aircraft operation by existing methods is practically impossible.

Известен способ, при котором отслеживаются изменения жесткости крыла в процессе эксплуатации ЛА, для чего с помощью штатного оборудования самолета измеряется частота первого тона резонансных колебаний крыла в полете. Уменьшение значения этой частоты в процессе эксплуатации говорит о том, что начались усталостные разрушения крыла (Кашковский В.В. Устинов В.В. Полуэктов С.П. Желтухин С.Н. Система контроля прочностных свойств крыла ЛА. Патент РФ №2348916, опубликовано 10.03.2009 г.).There is a method in which changes in the stiffness of the wing are monitored during the operation of the aircraft, for which using the standard equipment of the aircraft measures the frequency of the first tone of the resonant oscillations of the wing in flight. A decrease in the value of this frequency during operation indicates that fatigue failure of the wing has begun (Kashkovsky V.V. Ustinov V.V. Poluektov S.P. Zheltukhin S.N. System for monitoring the strength properties of an aircraft wing. Patent of the Russian Federation No. 2348916, published March 10, 2009).

Недостатками данного способа измерения являются следующие: авторами не указан подход к выбору характера возмущающих воздействий и метод их практической реализации; нет точной оценки значения условной погонной массы, определяемой конструкцией крыла данного типа ЛА и функционально зависящей от массы топлива в крыльевых баках.The disadvantages of this measurement method are as follows: the authors did not indicate an approach to the choice of the nature of disturbing influences and the method of their practical implementation; there is no accurate estimate of the value of the conditional linear mass determined by the wing structure of a given type of aircraft and functionally dependent on the mass of fuel in the wing tanks.

Известен способ создания синусоидальных возмущающих воздействий на аэродинамическую поверхность, например, крыло, и метод его практической реализации, при котором изменение частоты колебаний крыла регулируется скоростью вращения вала двигателя специального механизма поступательных колебаний (Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Табачников В.Г. Крыло в нестационарном потоке газа. Москва, Наука, 1971, с.194).There is a method of creating sinusoidal disturbing effects on an aerodynamic surface, for example, a wing, and a method for its practical implementation, in which the change in the frequency of oscillation of the wing is controlled by the rotational speed of the engine shaft of a special translational oscillation mechanism (Belotserkovsky S.M., Skripach B.K., Tabachnikov V .G. Wing in unsteady gas flow. Moscow, Nauka, 1971, p.194).

Основной недостаток этого способа - невозможность его реализации на натурном ЛА, способ предназначен для испытаний в аэродинамических трубах.The main disadvantage of this method is the impossibility of its implementation on full-scale aircraft, the method is intended for testing in wind tunnels.

Известен способ технической диагностики механических конструкций, в частности строительных конструкций зданий и сооружений, который представляет собой комплекс мероприятий, позволяющих объективно оценивать техническое состояние конструкций, их пригодность к дальнейшей эксплуатации, выявлять имеющиеся дефекты, повреждения и обоснованно указывать на причины их возникновения. В частности, в этом способе выполняются натурные испытания, в ходе которых определяют динамические характеристики конструкций с использованием метода свободных колебаний. Колебания конструкции возбуждаются кратковременной, импульсной ударной нагрузкой, реализуемой, например, с помощью натянутого троса, закрепленного на конструкции, момент обрыва которого синхронизирован с началом записи измерений. Затем измеренные в выбранных точках конструкции данные о параметрах свободных колебаний записываются. Обработка получаемых записей позволяет определить частоты колебаний конструкции по первому и второму тону (для протяженных конструкций и для более высоких тонов), логарифмические декременты колебаний, построить эпюры колебаний (относительные перемещения точек здания в местах установки измерительных датчиков) по каждому надежно идентифицированному тону. Анализ этой экспериментальной информации позволяет судить о состоянии объекта по его динамическим характеристикам в процессе эксплуатации (Правила паспортизации и оценки фактической сейсмостойкости воинских зданий и сооружений. Под общей редакцией Савина С.Н. ВСП 22.01.95. - Москва, Министерство обороны РФ, 1996, 43 с).There is a method of technical diagnostics of mechanical structures, in particular building structures of buildings and structures, which is a set of measures that make it possible to objectively evaluate the technical condition of structures, their suitability for further operation, identify existing defects, damage and reasonably indicate the causes of their occurrence. In particular, in this method field tests are performed, during which the dynamic characteristics of structures are determined using the method of free vibrations. Fluctuations in the structure are excited by a short-term, impulsive shock load, realized, for example, by means of a tensioned cable fixed to the structure, the breakage moment of which is synchronized with the beginning of the recording of measurements. Then, the data on the parameters of free vibrations measured at selected points in the structure are recorded. Processing of the obtained records allows one to determine the vibration frequencies of the structure according to the first and second tone (for extended structures and for higher tones), logarithmic decrements of vibrations, build vibration diagrams (relative movements of building points in the places of installation of measuring sensors) for each reliably identified tone. The analysis of this experimental information allows us to judge the state of the object by its dynamic characteristics during operation (Rules for certification and assessment of the actual seismic resistance of military buildings and structures. Edited by Savina SN VSP 22.01.95. - Moscow, Ministry of Defense of the Russian Federation, 1996, 43 s).

Основной недостаток этого способа - невозможность его реализации на натурном ЛА в процессе эксплуатации (в полете).The main disadvantage of this method is the impossibility of its implementation on a full-scale aircraft during operation (in flight).

Известен способ определения размеров трещин в авиационных конструкциях по изменению динамических характеристик: конструкционного демпфирования и периода собственных колебаний, при котором вначале производятся исследования указанных характеристик на образцах из сборных элементов (болтовые и заклепочные соединения), консольно защемленных и подвергнутых циклическому деформированию при поперечном изгибе. В этом способе по результатам испытаний устанавливается эмпирическая зависимость динамических характеристик от степени поврежденности сборных элементов, по зависимости делается вывод о поврежденности крыла и хвостового оперения планера ЛА (Ракшин А.Ф. К определению размеров трещин в конструкциях. В кн. Динамика и механика поврежденных авиационных конструкций. Межвузовский сборник научных трудов. Москва, МИИГА, 1982, с.105-111).A known method for determining the size of cracks in aircraft structures by changing the dynamic characteristics: structural damping and the period of natural vibrations, in which first the studies of these characteristics are performed on samples of prefabricated elements (bolt and rivet joints), cantilevered and subjected to cyclic deformation during transverse bending. In this method, according to the test results, an empirical dependence of dynamic characteristics on the degree of damage to prefabricated elements is established, depending on the conclusion is made on the damage to the wing and tail of the airframe of an aircraft (Rakshin A.F. To determining the size of cracks in structures. In the book Dynamics and Mechanics of Damaged Aviation constructions. Interuniversity collection of scientific papers. Moscow, MIIGA, 1982, pp. 105-111).

Основной недостаток этого способа - в нем не учитывается влияние аэродинамического демпфирования на динамические характеристики ЛА в полете.The main disadvantage of this method is that it does not take into account the effect of aerodynamic damping on the dynamic characteristics of an aircraft in flight.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ, при котором для исследуемой конструкции (например, конструкции планера ЛА в наземных условиях) определяют значения динамических характеристик для нелинейных колебаний субгармонических порядка 1/2 и супергармонических второго порядка колебаний для консервативных тонов, наличие негативного для исследуемой конструкции изменения параметров затухания указанных выше колебаний является признаком деградации прочностных характеристик этой конструкции, в дополнение к этому присутствие в ее спектре собственных колебаний нелинейных резонансных колебаний, являющихся существенно негармоническими, свидетельствует о возникновении повреждения, то есть является индикатором повреждения, и по отношению амплитуды доминирующей гармоники в спектре колебаний к амплитуде основной гармоники делают оценку размера повреждения, в связи с тем, что чувствительность к диагностированию повреждения зависит от его размеров, поэтому с момента зарождения повреждения в основном используют экспериментальные данные о динамических характеристиках супергармонических резонансах второго порядка, а при достижении некоторой величины повреждения используют экспериментальные данные о динамических характеристиках субгармонических резонансах порядка 1/2, при этом минимальный размер повреждения, выявляемый с учетом характеристик обоих нелинейных резонансов, существенно зависит от уровня демпфирования колебаний в системе (Бовсуновский А.П. Сравнительный анализ нелинейных резонансов механической системы с несимметричной кусочно-линейной характеристикой восстанавливающей силы. В кн. Проблемы прочности, №2 (386), 2007, с.72-87).The closest technical solution adopted for the prototype is the method in which for the structure under study (for example, the design of the airframe of an aircraft in ground conditions) determine the values of dynamic characteristics for non-linear oscillations of subharmonic order 1/2 and superharmonic second-order oscillations for conservative tones, the presence of negative for the structure under study, changes in the attenuation parameters of the above oscillations is a sign of degradation of the strength characteristics of this structure, in addition Moreover, the presence in its spectrum of natural vibrations of nonlinear resonance oscillations, which are essentially nonharmonic, indicates damage, that is, it indicates damage, and the damage size is estimated in relation to the amplitude of the dominant harmonic in the vibration spectrum to the amplitude of the fundamental harmonic, therefore that sensitivity to diagnosing damage depends on its size, therefore, from the moment of damage initiation, experimental data on dynamic characteristics of second-order superharmonic resonances, and when some damage is achieved, experimental data are used on the dynamic characteristics of subharmonic resonances of the order of 1/2, while the minimum damage size detected with regard to the characteristics of both nonlinear resonances depends significantly on the level of vibration damping in the system (Bovsunovsky A.P. Comparative analysis of nonlinear resonances of a mechanical system with an asymmetric piecewise linear characteristic of a restoring force. In the book. Problems of Strength, No. 2 (386), 2007, pp. 72-87).

Недостатками этого способа определения наличия повреждений по измеренным динамическим характеристикам конструкции являются, во-первых, то обстоятельство, что в этом способе не указано, каким образом необходимо определять уровень демпфирования, которое существенно влияет на чувствительность всех диагностических признаков наличия повреждения исследуемой конструкции, во-вторых, в нем не учитывается влияние аэродинамического демпфирования на динамические характеристики.The disadvantages of this method for determining the presence of damage by the measured dynamic characteristics of the structure are, firstly, the fact that this method does not indicate how to determine the level of damping, which significantly affects the sensitivity of all diagnostic signs of damage to the investigated structure, and secondly , it does not take into account the effect of aerodynamic damping on dynamic performance.

Задачей предложенного изобретения является увеличение точности определения динамических характеристик элементов конструкции ЛА в полете, по изменению величин которых судят о поврежденности исследуемых элементов конструкции ЛА.The objective of the invention is to increase the accuracy of determining the dynamic characteristics of structural elements of an aircraft in flight, by changing the values of which judge the damage to the investigated structural elements of the aircraft.

Технический результат заключается в возможности накопления статистических данных об изменениях динамических характеристик элементов конструкции ЛА, в частности конструкционного демпфирования основных элементов ЛА, во всем интервале его жизненного цикла и прогнозирования остаточного ресурса этих элементов без выведения ЛА из эксплуатации.The technical result consists in the possibility of accumulating statistical data on changes in the dynamic characteristics of aircraft structural elements, in particular structural damping of the main aircraft elements, in the entire interval of its life cycle and predicting the residual life of these elements without taking the aircraft out of service.

Технический результат достигается тем, что в способе определения динамических характеристик элементов конструкции ЛА для исследуемой конструкции определяют значения динамических характеристик для нелинейных колебаний субгармонических порядка 1/2 и супергармонических второго порядка колебаний для консервативных тонов, определяют признаки деградации прочностных характеристик этой конструкции по наличию негативного изменения параметров затухания указанных выше колебаний, о возникновении повреждения судят по присутствию в спектре собственных колебаний конструкции нелинейных резонансных колебаний, являющихся существенно негармоническими, оценку размера повреждения делают по отношению амплитуды доминирующей гармоники в спектре колебаний к амплитуде основной гармоники, с момента зарождения повреждения используют экспериментальные данные о динамических характеристиках супергармонических резонансах второго порядка, а при достижении заданной в эксплуатационных документах величины повреждения используют экспериментальные данные о динамических характеристиках субгармонических резонансах порядка 1/2, причем до проведения исследований конструкции ЛА определяют зависимости от частоты колебаний и от температуры окружающей среды характеристики демпфирующей способности материалов конструкции планера на образцах-свидетелях, затем на натурной конструкции планера ЛА в наземных условиях в начале плановой эксплуатации ЛА определяют динамические характеристики элементов конструкции, в том числе зависимости параметров затухания колебаний от частоты колебаний и от температуры окружающей среды для нескольких, в количестве, достаточном для решаемой задачи, тонов собственных колебаний планера, потом с помощью расчетов составляют перечень консервативных тонов собственных колебаний конструкции планера ЛА в диапазоне крейсерских скоростей полета этого ЛА, далее в полете при одинаковых режимах, характеризующихся равными значениями скорости, высоты полета, центровки, коммерческой массы, с помощью симметричного или антисимметричного отклонения штатных органов управления ЛА возбуждают гармонические или полигармонические колебания, а определение значений динамических характеристик основных гармонических и нелинейных колебаний, по которым судят о наличии негативных изменений в процессе эксплуатации ЛА параметров затухания этих колебаний, выполняют для консервативных тонов в диапазоне крейсерских скоростей полета этого ЛА, установленных с помощью расчетов, после чего по измеренным данным датчиков вибрации, размещенных на диагностируемых элементах конструкции планера ЛА, в назначенный срок, задаваемый для каждого ЛА индивидуально, по значениям возбуждающей силы, которая создается с помощью симметричного или антисимметричного отклонения в полете при одинаковых режимах, характеризующихся равными значениями скорости, высоты полета, центровки, коммерческой массы, с помощью штатных органов управления ЛА возбуждают гармонические или полигармонические колебания, а значения динамических характеристик определяют по измеренным данным датчиков вибрации, размещенных на диагностируемых элементах планера ЛА, и по значению возбуждающей силы вынужденных колебаний органов управления ЛА в начале плановой эксплуатации и в назначенный срок, определяемый для каждого ЛА индивидуально.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the dynamic characteristics of aircraft structural elements for the structure under study, the dynamic characteristics are determined for non-linear oscillations of subharmonic order 1/2 and second-order superharmonic oscillations for conservative tones, signs of degradation of the strength characteristics of this structure are determined by the presence of a negative change in parameters attenuation of the above oscillations, the occurrence of damage is judged by the presence in the spectrum of natural vibrations of the design of nonlinear resonance oscillations, which are essentially non-harmonic, damage size is estimated by the ratio of the dominant harmonic amplitude in the vibration spectrum to the fundamental harmonic amplitude, from the moment of damage initiation, experimental data on the dynamic characteristics of second-order superharmonic resonances are used, and when the specified value is reached in operational documents damage values use experimental data on dynamic characteristics subharmonic resonances of the order of 1/2; moreover, before carrying out research on the aircraft design, the dependences of the damping ability of the materials of the airframe design on the witness specimens are determined depending on the frequency of the oscillations and on the ambient temperature, then on the full-scale design of the airframe of the airframe in ground conditions at the beginning of the planned operation of the aircraft dynamic characteristics of structural elements, including the dependence of vibration damping parameters on the oscillation frequency and on the ambient temperature I have several, in an amount sufficient for the problem to be solved, tones of the airframe’s own vibrations, then, using calculations, a list of conservative tones of the natural vibrations of the airframe of the aircraft in the range of cruising flight speeds of this aircraft, and then in flight under the same conditions, characterized by equal values of speed, altitude, are compiled flight, alignment, commercial mass, with the help of a symmetric or antisymmetric deviation of the standard aircraft controls excite harmonic or polyharmonic oscillations and the determination of the values of the dynamic characteristics of the main harmonic and nonlinear oscillations, which are used to judge the presence of negative changes during the operation of the aircraft, the attenuation parameters of these oscillations, is performed for conservative tones in the range of cruising flight speeds of this aircraft, established by calculations, after which the measured data vibration sensors located on the diagnosed structural elements of the aircraft glider, at the appointed time, set for each aircraft individually, according to the values of the exciting forces , which is created using symmetric or antisymmetric deviation in flight under the same conditions, characterized by equal values of speed, flight altitude, centering, commercial mass, with the help of standard aircraft controls, excite harmonic or polyharmonic oscillations, and the values of dynamic characteristics are determined from the measured data of vibration sensors placed on the diagnosed elements of the aircraft glider, and the value of the exciting force of the forced oscillations of the aircraft controls at the beginning of the plan th operation and at the appointed time, determined individually for each aircraft.

На фиг. 1 и фиг. 2 показаны зависимости динамических характеристик (логарифмического декремента Θ и частоты колебаний f) от величины скорости полета ν_инд.In FIG. 1 and FIG. Figure 2 shows the dependences of the dynamic characteristics (logarithmic decrement Θ and oscillation frequency f) on the value of the flight speed ν _ind .

На фиг. 3 показаны формы низших симметричных тонов собственных (резонансных) колебаний планера ЛА с указанием значений соответствующих частот.In FIG. Figure 3 shows the forms of the lower symmetric tones of the intrinsic (resonant) oscillations of the airframe of the aircraft with the values of the corresponding frequencies.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

На образцах-свидетелях определяют зависимости от частоты колебаний и от температуры окружающей среды характеристик демпфирующей способности материалов конструкции ЛА, к которым относятся модули потерь, или углы механических потерь, или тангенсы угла механических потерь, называемые еще коэффициентами механических потерь или факторами потерь (например, Малкин А.Я., Аскадский Α.Α., Коврига В.В. Методы измерения механических свойств полимеров. Москва, Химия, 1978), затем на натурной конструкции планера ЛА в наземных условиях определяют динамические характеристики элементов конструкции, в том числе зависимости параметров затухания колебаний от частоты колебаний и от температуры окружающей среды, для нескольких тонов собственных колебаний планера в количестве, достаточном для решаемой задачи, (например, Карклэ П.Г., Малютин В.А., Мамедов О.С., Поповский В.Н., Смыслов В.И., Смотров А.В. О современных методиках наземных испытаний ЛА в аэроупругости. Труды ЦАГИ, вып.2708, 2012). Их количество определяется компоновкой конструкции ЛА, его назначением, условиями эксплуатации и другими факторами. Потом с помощью расчетов устанавливают перечень консервативных тонов собственных колебаний конструкции планера ЛА в диапазоне крейсерских скоростей полета этого ЛА, далее в полете при одинаковых режимах, характеризующихся равными значениями скорости, высоты полета, центровки, коммерческой массы, с помощью симметричного или антисимметричного отклонения штатных органов управления ЛА возбуждают гармонические или полигармонические колебания, и по измеренным данным датчиков вибрации, размещенных на диагностируемых элементах конструкции (например, как показано в: Schnalzer R.T. Acoustic Bandgap Sensors for Hot-Spot Damage Monitoring. Thesis (Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science Civil Engineering). The University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico, July, 2011, c.9, или Encyclopedia of Structural Health Monitoring. Edited by Christian Boller, Fu-Kuo Chang and Yozo Fujino, John Wiley & Sons, Ltd., 2009, c. 15, 803, 1298, 1707), и по значениям возбуждающей силы вынужденных колебаний органов управления ЛА в начале плановой эксплуатации и в назначенный срок, задаваемый для каждого ЛА индивидуально, определяют значения динамических характеристик основных гармонических, а также нелинейных колебаний субгармонических порядка 1/2 и супергармонических второго порядка для консервативных тонов, наличие негативного для исследуемой конструкции планера ЛА изменения параметров затухания указанных выше колебаний является признаком деградации прочностных характеристик элементов конструкции, в дополнение к этому присутствие в спектре собственных колебаний планера ЛА нелинейных резонансных колебаний, являющихся существенно негармоническими, свидетельствует о возникновении повреждения, то есть является индикатором повреждения, и по отношению амплитуды доминирующей гармоники в спектре колебаний к амплитуде основной гармоники делают оценку размера повреждения. Чувствительность к диагностированию повреждения зависит от его размеров, поэтому с момента зарождения повреждения в основном используют экспериментальные данные о динамических характеристиках супергармонических резонансах второго порядка. При достижении заданной в эксплуатационных документах величины повреждения (например, для металлических конструкций размер трещины составляет 5% площади поперечного сечения элемента конструкции (Бовсуновский А.П. Сравнительный анализ нелинейных резонансов механической системы с несимметричной кусочно-линейной характеристикой восстанавливающей силы. В кн. Проблемы прочности, №2 (386), 2007, с.72-87)) используют экспериментальные данные о динамических характеристиках субгармонических резонансах порядка 1/2. При этом выбор, какой нелинейный резонанс (субгармонический порядка 1/2 или супергармонический второго порядка) использовать в качестве индикатора наличия повреждения, делают исходя из ранее измеренных данных о демпфирующей способности конструкционных материалов и определенных в экспериментах параметров затухания колебаний неповрежденной конструкции планера ЛА.On the test specimens, the dependences on the vibration frequency and on the ambient temperature of the damping characteristics of aircraft construction materials, which include loss modules, or mechanical loss angles, or mechanical loss angle tangents, also called mechanical loss coefficients or loss factors (for example, Malkin, are determined) A.Ya., Askadsky Α.Α., Kovriga VV Methods for measuring the mechanical properties of polymers (Moscow, Chemistry, 1978), then the dynamics are determined on the full-scale structure of an airframe in ground conditions The characteristics of structural elements, including the dependence of the parameters of the damping of the oscillations on the frequency of the oscillations and on the ambient temperature, for several tones of the natural oscillations of the airframe in an amount sufficient for the problem to be solved (for example, Karkle P.G., Malyutin V.A., Mamedov O.S., Popovsky V.N., Smyslov V.I., Smotrov A.V. On modern methods of ground tests of aircraft in aeroelasticity. Proceedings of TsAGI, issue 2708, 2012). Their number is determined by the layout of the aircraft design, its purpose, operating conditions and other factors. Then, using the calculations, a list of conservative natural vibrations of the airframe design of the aircraft is established in the range of the cruising flight speeds of this aircraft, then in flight under the same conditions, characterized by equal values of speed, flight altitude, centering, commercial mass, using symmetric or antisymmetric deviation of standard controls LA excite harmonic or polyharmonic oscillations, and according to the measured data of vibration sensors located on the diagnosed structural elements and (e.g., as shown in: Schnalzer RT Acoustic Bandgap Sensors for Hot-Spot Damage Monitoring. Thesis (Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science Civil Engineering). The University of New Mexico, Albuquerque, New Mexico , July, 2011, p. 9, or Encyclopedia of Structural Health Monitoring. Edited by Christian Boller, Fu-Kuo Chang and Yozo Fujino, John Wiley & Sons, Ltd., 2009, p. 15, 803, 1298, 1707), and the values of the driving force of the forced oscillations of the aircraft controls at the beginning of the planned operation and at the appointed time, set for each aircraft individually, determine the values of the dynamic characteristics of the main harmonic as well as non-linear oscillations of the subharmas 1/2 order and second-order superharmonic for conservative tones, the presence of negative changes in the attenuation parameters of the above-mentioned oscillations for the airframe under investigation is a sign of degradation of the strength characteristics of structural elements, in addition to the presence of nonlinear resonant vibrations in the spectrum of the airframe's natural vibrations, which are significantly harmonic, indicates the occurrence of damage, that is, it is an indicator of damage, and in relation to the dominant harmonic plates in the spectrum of oscillations to the amplitude of the fundamental harmonic make an estimate of the size of the damage. Sensitivity to the diagnosis of damage depends on its size, therefore, from the moment of damage initiation, experimental data on the dynamic characteristics of second-order superharmonic resonances are mainly used. Upon reaching the damage value specified in the operating documents (for example, for metal structures, the crack size is 5% of the cross-sectional area of the structural element (Bovsunovsky A.P. Comparative analysis of nonlinear resonances of a mechanical system with an asymmetric piecewise-linear characteristic of the restoring force. In the book. Strength problems. , No. 2 (386), 2007, pp. 72-87)) use experimental data on the dynamic characteristics of subharmonic resonances of the order of 1/2. In this case, the choice of which nonlinear resonance (subharmonic of the order 1/2 or superharmonic of the second order) to use as an indicator of damage is made on the basis of previously measured data on the damping ability of structural materials and the damped vibration parameters of the undamaged airframe design determined in experiments.

Примеры зависимостей динамических характеристик, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2, определены для планера атмосферного ЛА (магистрального самолета транспортной категории с двумя двигателями на пилоне). На графиках видно, что величины частот и логарифмических декрементов колебаний 4-го и 7-го тонов практически не зависят от индикаторной скорости полета ν_инд, то есть эти тона являются консервативными. Графики иллюстрируют влияние уровня начального демпфирования конструкции на основные динамические характеристики планера ЛА, то есть на чувствительность диагностических признаков наличия повреждений: на фиг.1 задано нулевое значение конструкционного демпфирования, на фиг. 2 приведено значение логарифмического декремента Θ=0,05, являющееся средней величиной для конструкций металлических ЛА (Микишев Г.Н., Рабинович Б.И. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость. Москва, Машиностроение, 1971, с.182-189).Examples of dynamic dependencies shown in FIG. 1 and FIG. 2, are defined for an atmospheric airframe (a transport category main aircraft with two engines on a pylon). The graphs show that the frequencies and logarithmic decrement of the 4th and 7th tones practically do not depend on the indicated flight speed ν _ind , that is, these tones are conservative. The graphs illustrate the influence of the initial damping level of the structure on the basic dynamic characteristics of the airframe, that is, on the sensitivity of diagnostic signs of damage: in Fig. 1, the structural damping value is set to zero, in Fig. 1. Figure 2 shows the value of the logarithmic decrement Θ = 0.05, which is the average value for metal aircraft structures (Mikishev G.N., Rabinovich B.I. Dynamics of thin-walled structures with compartments containing liquid. Moscow, Mechanical Engineering, 1971, pp. 182-189 )

Показанные на фиг. 3 формы низших симметричных тонов собственных (резонансных) колебаний планера относятся к тому же магистральному самолету транспортной категории с двумя двигателями на пилоне, что и зависимости, приведенные на фиг. 1 и фиг. 2. Как правило, совокупности динамических характеристик, определенных для такого набора собственных тонов, достаточно для проведения комплекса работ по научно-технической экспертизе аэроупругой устойчивости и безопасности от явлений аэроупругости исследуемого ЛА.Shown in FIG. 3 forms of the lower symmetric tones of the natural (resonant) vibrations of the airframe refer to the same main transport plane with two engines on the pylon, as the dependences shown in FIG. 1 and FIG. 2. As a rule, the totality of the dynamic characteristics defined for such a set of intrinsic tones is sufficient to carry out a range of works on the scientific and technical examination of aeroelastic stability and safety from the phenomena of aeroelasticity of the aircraft under study.

С использованием предлагаемого способа в ФГУП «ЦАГИ» проведен ряд экспериментов по определению безопасной повреждаемости элементарных и конструктивно подобных образцов авиационных материалов, а также проведены исследования зависимостей динамических характеристик планера SSJ100 (магистрального самолета транспортной категории с двумя двигателями на пилоне), которые в том числе были использованы в качестве доказательных материалов при проведении комплекса работ для получения сертификата типа.Using the proposed method, TsAGI conducted a series of experiments to determine the safe damage to elementary and structurally similar samples of aviation materials, and also studied the dependences of the dynamic characteristics of the SSJ100 airframe (a main transport category aircraft with two engines on the pylon), which included used as evidence in a set of works to obtain a type certificate.

Таким образом, использование данного способа дает возможность накопления статистических данных об изменениях динамических характеристик элементов конструкции ЛА, в том числе конструкционного демпфирования основных элементов ЛА, во всем интервале его жизненного цикла, а также прогнозирование остаточного ресурса этих элементов без выведения ЛА из эксплуатации.Thus, the use of this method makes it possible to accumulate statistical data on changes in the dynamic characteristics of aircraft structural elements, including structural damping of the main aircraft elements, over the entire interval of its life cycle, as well as predicting the residual life of these elements without taking the aircraft out of service.

Claims

A method for determining the dynamic characteristics of structural elements of an aircraft, which consists in the fact that the values of dynamic characteristics for non-linear oscillations of subharmonic order 1/2 and superharmonic second-order oscillations for conservative tones are determined for the structure under study, signs of degradation of the strength characteristics of this structure are determined by the presence of a negative change in parameters attenuation of the above oscillations, the occurrence of damage is judged by the presence in the spectrum with of natural vibrations of the design of nonlinear resonance oscillations, which are essentially nonharmonic, the size of the damage is estimated by the ratio of the amplitude of the dominant harmonic in the spectrum of the oscillations to the amplitude of the fundamental, from the moment of the damage initiation, experimental data on the dynamic characteristics of second-order superharmonic resonances are used, and when specified in operational documents damage values use experimental dynamic data x subharmonic resonances of the order of 1/2, characterized in that before conducting studies of the aircraft design, the dependences of the damping ability of the materials of the airframe design on the witness specimens, then on the full-scale design of the airframe in ground conditions at the beginning of the planned aircraft operation is determined by the dynamic characteristics of structural elements, including the dependence of the attenuation parameters of the oscillations on the frequency of oscillations and on the ambient temperature environment for several, in an amount sufficient for the problem to be solved, tones of the natural vibrations of the airframe, then using the calculations, a list of conservative tones of the natural vibrations of the airframe design of the aircraft in the range of cruising flight speeds of this aircraft, then in flight under the same conditions, characterized by equal values of speed , flight altitude, centering, commercial mass, with the help of a symmetric or antisymmetric deviation of the aircraft's standard controls, excite harmonic or polyharmonic oscillations, and the determination of the values of the dynamic characteristics of the main harmonic and nonlinear oscillations, which are used to judge the presence of negative changes in the operation of the aircraft, the attenuation parameters of these oscillations, is performed for conservative tones in the range of cruising flight speeds of this aircraft, established by calculations, after which measured data of vibration sensors located on the diagnosed structural elements of the aircraft glider, at the appointed time, set for each aircraft individually, according to the values friction force, which is created using symmetric or antisymmetric deviation in flight under the same conditions, characterized by equal values of speed, flight altitude, centering, commercial mass, with the help of standard aircraft controls, excite harmonic or polyharmonic oscillations, and the values of dynamic characteristics are determined from the measured data vibration sensors located on the diagnosed elements of the aircraft glider, and the value of the exciting force of the forced oscillations of the aircraft controls in n at the beginning of the planned operation and at the appointed time, determined individually for each aircraft.