民用飛機(jī)飛行使用載荷譜數(shù)據(jù)清洗方法研究

徐春雨，陸 琪，黃 勇

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院, 上海 201210)

載荷譜是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測的基礎(chǔ)[1]。民用飛機(jī)飛行載荷譜是指飛行過程中實測的一系列與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)，反映了飛機(jī)飛行過程中所經(jīng)歷的真實受載情況。因此通過對飛行載荷譜的研究，可以獲得飛機(jī)結(jié)構(gòu)真實的使用壽命情況，并可用于民用飛機(jī)單機(jī)疲勞損傷評定及維修檢查間隔的定制及優(yōu)化。然而，隨著近些年實測記錄參數(shù)及數(shù)據(jù)點的快速增多[2]，形成了海量的實測數(shù)據(jù)，其處理過程非常復(fù)雜，需耗費(fèi)大量的人力和物力。

目前，常用的飛行載荷譜低載截除方法尚局限于經(jīng)驗方法，經(jīng)驗方法中各種飛機(jī)的載荷譜數(shù)據(jù)截除標(biāo)準(zhǔn)和方法也不一樣[3-7]，不具有通用性。本文針對民用飛機(jī)飛行載荷譜，提出了一種“四點法”數(shù)據(jù)清洗方法，該方法在保證載荷次序不變的基礎(chǔ)上，能夠有效截除對疲勞損傷影響較小的載荷循環(huán)，從而大大提高數(shù)據(jù)處理的效率。

1 峰谷值提取

民用飛機(jī)飛行載荷譜種類眾多，包括速度、高度、重心法向過載系數(shù)、馬赫數(shù)等，在進(jìn)行載荷譜峰谷值提取時，提取方法是相同的。載荷譜峰谷值提取遵循以下規(guī)則：

1)在載荷歷程的上升段，只保留上升段最高處的峰值，剔除中間的數(shù)據(jù)點；

2)在載荷歷程的下降段，只保留下降段最低處的谷值，剔除中間的數(shù)據(jù)點。

以飛機(jī)重心法向過載譜為例，其載荷歷程1的原始譜片段如圖1所示。對載荷歷程1中的局部峰谷值進(jìn)行提取，結(jié)果如圖2所示。

圖1 重心法向過載原始譜

圖2 載荷歷程1峰谷值圖

按照上述規(guī)則，分別對需要研究的飛行載荷譜進(jìn)行峰谷值提取，建立起峰谷值數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)基于“四點法”的數(shù)據(jù)清洗奠定基礎(chǔ)。

2 基于“四點法”的數(shù)據(jù)清洗

采用“四點法”對峰谷值數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。四點法是指從整個載荷歷程的第一個數(shù)據(jù)點開始，每次選取4個數(shù)據(jù)點構(gòu)成一個載荷循環(huán)，將該載荷循環(huán)與依據(jù)疲勞損傷容限評定得到的門檻值進(jìn)行比較，剔除幅值小于門檻值的載荷循環(huán)，保留幅值大于門檻值的載荷循環(huán)。以飛機(jī)過載為例，門檻值的定義如下：

Δ=(Amax-Amin)·ε

(1)

式中：Δ為門檻值；Amax為整個載荷歷程中的過載最大值，g；Amin為整個載荷歷程中的過載最小值，g；ε為疲勞損傷容限專業(yè)確定的閾值(無量綱)。

飛行載荷譜按照載荷循環(huán)起點的不同可以分為起點為谷值和起點為峰值兩大類，本文對每類載荷循環(huán)的“四點”數(shù)據(jù)形態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗方法的說明。

2.1 載荷循環(huán)起點為谷值

載荷循環(huán)的起點為谷值時，依據(jù)“四點”數(shù)據(jù)前后兩個峰值點的大小關(guān)系，可分為以下兩類：

1)第二個峰值大于第一個峰值，即nD>nB(nD為D點的載荷值，nB為B點的載荷值，下同)，如圖3所示，對于該四點循環(huán)ABCD，分別比較每一段載荷與門檻值的大小來決定數(shù)據(jù)點的去留。

圖3 起點為谷值且第二個峰值較大時的四點載荷循環(huán)

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ADEF，如圖4(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)CDEF，如圖4(b)所示。

圖4 起點為谷值且第二個峰值較大時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2)第二個峰值不大于第一個峰值，即nD≤nB，如圖5所示。

圖5 起點為谷值且第二個峰值較小時的四點載荷循環(huán)

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)BCDE，如圖6(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ABEF，如圖6(b)所示。

圖6 起點為谷值且第二個峰值較小時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2.2 載荷循環(huán)起點為峰值

載荷循環(huán)起點為峰值時，依據(jù)“四點”數(shù)據(jù)前后兩個谷值點的大小關(guān)系，可分為以下兩類：

1)第二個谷值大于第一個谷值，即nD>nB，如圖7所示。

圖7 起點為峰值且第二個谷值較大時的載荷循環(huán)

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)BCDE，如圖8(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ABEF，如圖8(b)所示。

圖8 起點為峰值且第二個谷值較大時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2)第二個谷值不大于第一個谷值，即nD≤nB，如圖9所示。

圖9 起點為峰值且第二個谷值較小時的載荷循環(huán)

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)ADEF，如圖10(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作為下一個四點循環(huán)的起點，構(gòu)成新的四點循環(huán)CDEF，如圖10(b)所示。

圖10 起點為峰值且第二個谷值較小時的數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

2.3 數(shù)據(jù)清洗案例

以某型飛機(jī)一關(guān)鍵件在一段飛行過程中所承受的載荷數(shù)據(jù)為例，通過“四點法”數(shù)據(jù)清洗(設(shè)定Δ=30%)，得到相應(yīng)載荷歷程數(shù)據(jù)清洗后的載荷譜，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)清洗結(jié)果

為了驗證清洗結(jié)果的合理性，對該關(guān)鍵件的一疲勞細(xì)節(jié)部位進(jìn)行原始譜及清洗譜的損傷分析，分析結(jié)果見表1。

從表1可見，通過“四點法”數(shù)據(jù)清洗，雖然載荷數(shù)據(jù)點從1 000個減少至16個，但能基本保證原始譜的損傷大小，說明該數(shù)據(jù)清洗結(jié)果合理有效。

表1 損傷分析結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于“四點法”的民用飛機(jī)飛行載荷譜數(shù)據(jù)清洗方法，主要包括兩個步驟：從原始載荷歷程中提取局部峰谷值，組成峰谷值數(shù)據(jù)庫；依據(jù)疲勞損傷評定門檻值，采用“四點法”對四點載荷循環(huán)進(jìn)行清洗，得到載荷歷程的清洗譜。該數(shù)據(jù)清洗方法在保留原始載荷譜加載次序的基礎(chǔ)上，剔除了對疲勞損傷容限影響較小的載荷數(shù)據(jù)點，從而大大減少了后續(xù)數(shù)據(jù)處理所需的人力和物力。該方法對于單機(jī)疲勞損傷評定及維修檢查間隔制定具有十分重要的意義。