飞机载荷/环境谱简介

飞机结构载荷/环境谱是指作用在飞机结构上各种疲劳载荷和飞机历经的各种使用环境(特别是腐蚀环境)所形成的谱的总称。从谱的组成来看,飞机结构载荷/环境谱包括以下三种类型的谱:
(1)飞机结构载荷谱;
(2)飞机结构环境谱;
(3)飞机结构载荷-环境谱。
飞机疲劳载荷和使用环境是影响飞机结构使用寿命的两大主要因素,而且是性质不同的两大因素。疲劳载荷是以力学为其主要特征,使用环境则比较复杂,它既包括某些化学/热/气候等自然因素的环境,也包括某些化学/力学/热等诱发因素的环境。尽管两者如此不同,但两者又相互渗透,载荷中有环境,环境中也有载荷。
因为疲劳载荷和使用环境对飞机结构使用寿命影响的重要性和两者之间的相互渗透性,可把飞机结构载荷/环境谱作为对飞机结构使用寿命影响的整体属性来看待。
本章先简单介绍飞机结构载荷/载荷谱和环境/环境谱的一些基本知识,简述飞机结构载荷/环境谱在飞机结构设计中的重要性。
一、飞机载荷
1.飞机载荷概念
飞机载荷是飞机在使用过程中作用在飞机结构上各种力的总称,简言之,飞机载荷是指作用在飞机上的力和力矩。例如,图1-1表示在对称飞行中作用在典型飞机上的气动力和气动力矩,这些力包括升力L、重力W、推力T、阻力D及俯仰力矩M等。这些力在飞机水平直线飞行中是处于平衡状态的,也就是说,升力、重力等各种垂直力之和等于零,推力、阻力等各种水平力之和等于零,机翼俯仰力矩、水平尾翼平衡力矩、推力线位置引起的力矩等各种力矩之和等于零,即


飞机载荷/环境谱简介
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图1 作用在飞机上的力和力矩
飞机在使用过程中,各零部件上作用有各种各样载荷,一些零部件在飞行中所受到的载荷是最危险的,而另一些零部件则是在起飞和着陆时最危险,它们往往会导致飞机一些零部件失效和结构破坏,甚至会导致机毁人亡。因此,在飞机设计和验证中必须对飞机载荷给予特别关注,要准确计算载荷并正确验证飞机结构载荷和强度,以确保飞机结构在使用中的可靠性和安全性。
2.飞机载荷分类
飞机载荷可以从不同角度进行分类。
1)按载荷性质分
飞机载荷可分为静载荷、动载荷(振动载荷、声载荷、冲击载荷等)、疲劳载荷和热载荷。
从力学角度来说,静载荷和动载荷是以载荷的变化速率为主要特征,用结构固有频率为参照,载荷大小、方向及作用点随时间缓慢变化者为静载荷,快速变化者为动载荷;疲劳载荷是以载荷的交变性和重复性为主要特征,无论什么载荷,只要反复多次作用于飞机结构,则都是疲劳载荷。所以,疲劳载荷可以是静态的,也可以是动态的。热载荷是以温度对载荷的影响为主要特征。
2)按载荷来源分
飞机载荷可分为外界环境所引起的载荷和结构操作使用所引起的载荷。前者如大气紊流引起的阵风载荷,机场跑道不平所引起的动态滑行载荷,水面不同浪高所引起的水面滑行载荷等;后者如飞行员空中操作所引起的机动载荷,下滑着陆操作所引起的着陆撞击载荷,地面操作所引起的地面操纵载荷(包括刹车、转弯、牵引、打地转、最小半径转弯、发动机地面试车、前轮静态操纵等)。
3)按飞机所处的位置和状态分
飞机载荷可分为飞行载荷和地面载荷。前者如飞行机动载荷、阵风载荷;后者如着陆撞击载荷、滑行载荷、地面操纵载荷。
4)按载荷作用方向分
飞机载荷可分为垂直力、水平力(航向力和侧向力)、俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩。
5)接受力部件分
飞机载荷可分为机翼载荷、机身载荷、平尾载荷、垂尾载荷、起落架载荷等。
6)按气动力和飞机运动状态关系分
飞机载荷可分为飞机飞行中由空气动力产生的气动载荷、由运动加速度产生的惯性载荷和结构总载荷,而且结构总载荷等于气动载荷和惯性载荷之和。
7)按与飞机质量的关系分
飞机载荷可分为两类:与飞机或飞机的部分质量相关的质量载荷(力)和与质量无关的表面载荷(力)。质量力包括重量力、与法向加速度和切向加速度相关的惯性力。质量力与质量成正比,它分布在飞机结构整体中。表面力包括飞机三个方向的气动力(升力、阻力和侧力)、发动机推力和飞机各部分之间的相互作用力。
8)按载荷的分布方式分
飞机载荷可分为集中载荷、线分布载荷、面分布载荷和体分布载荷。
9)按飞机零部件载荷传递方式和机理分
飞机载荷可分为拉伸载荷(拉力)、压缩载荷(压力)、剪切载荷(剪力)、扭转力矩(扭矩)和弯曲力矩(弯矩)。结构载荷的传递方式和机理如图2所示。


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图2 结构载荷传递方式和机理
3.飞机载荷的获取方法
飞机载荷的获取方法主要有以下几种:理论计算、风洞试验、飞行试验和参数识别。这些方法适用于飞机设计的不同阶段,而且有各自不同的适用范围。
初步设计阶段主要用理论计算的方法来初步确定飞机载荷,在打样设计阶段和详细设计阶段要用风洞试验的测力测压数据修正理论计算结果,有时甚至直接采用风洞试验测量的气动力。在整个设计阶段,载荷计算不是一次完成的,有一个由浅入深、由粗到精的反复计算和修正过程。在设计定型阶段则要通过飞行试验来获得真实飞行条件下的结构载荷,以验证计算是否满足设计要求。利用飞行试验所获得的实测载荷和相关的飞行参数,通过参数识别方法建立载荷和参数之间的统计关系,由此关系可以求出由于飞行试验可能测不到的高载和飞行试验测不出或测不准的某些动载荷,还可用于飞机投入使用后的飞机使用寿命监控中的疲劳载荷计算。
二、飞机载荷谱
飞机结构在使用中所受到的载荷包括静载荷、动载荷、疲劳载荷和热载荷。疲劳载荷有以下主要特征:一是交变载荷;二是反复多次作用于飞机结构上。从这个角度来说,疲劳载荷也称重复载荷,即疲劳载荷是一种交变的重复载荷,而载荷谱则是对这种交变重复载荷的描述。由于载荷谱总是在飞机使用中才会产生,因此,人们通常把载荷谱称为使用载荷谱。
1.疲劳载荷源
作用于工程结构上的疲劳载荷有两个主要来源:结构环境和结构使用。
结构环境指工程结构在使用过程中所经受的环境因素。以飞机结构为例,从环境位置来说包括飞机外部环境和内部环境;从载荷状态来说包括空中环境和地面环境;从环境性质来说包括载荷环境和腐蚀环境,载荷环境会带来飞机结构的疲劳破坏,而腐蚀环境会带来飞机结构的腐蚀损伤。这两种环境都直接决定飞机结构的使用寿命,只不过前者(载荷环境)主要决定飞机结构使用寿命的两个重要指标——飞行小时和起落次数,后者(腐蚀环境)主要决定飞机结构使用寿命的另一个重要指标——飞机日历年限。
就飞机载荷环境而言,主要包括如下几种:大气紊流所引起的阵风载荷、跑道不平度所引起的滑行载荷、结构振动所引起的振动载荷、航空噪声所引起的声载荷、飞机局部热源或高速战斗机气动加热引起的热载荷等,它们既属于飞机载荷范畴,又是飞机使用环境。
结构使用是指能产生载荷的结构操作。以飞机结构为例,它主要包括空中操作和地面操作,例如,发动机地面开车、功能检查、顶起、牵引、转弯、机动飞行、操纵系统工作、地形跟踪飞行、座舱增压、着陆撞击、刹车、地—空—地循环等。
2.载荷谱含义
载荷谱包括以下三层含义:
(1)载荷谱是一种客观存在。从谱的原始表现形态来看,载荷谱主要表现为载荷大小随时间的变化,即载荷时间历程,如图3所示。


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图3 某运输机一次飞行经受的载荷时间历程示意图
(2)载荷谱又是一种主观产物,是主观对客观的反映。因为任何原始形态的载荷时间历程因种种原因不可能直接用于结构的疲劳分析或疲劳试验,必须要经过一定的改造制作工夫,也就是要把客观的载荷时间历程编制成使用载荷谱。另一方面,从工程结构设计角度来看,在新产品未使用之前,还不存在这种客观的载荷时间历程,必须根据产品相关标准、资料或以往类似产品的使用数据及经验来编制设计使用载荷谱。
(3)从载荷谱编制的角度来看,载荷谱实质上是工程结构使用中各级载荷大小出现频数的排列,因此,载荷谱有三个基本要素:载荷大小、出现频数和先后顺序,它们各自对结构使用寿命带来直接影响,这三个缺一不可。从某种程度上来说,编制使用载荷谱的过程实质上就是把疲劳载荷的时域转换为频域的过程,也是按可靠性设计要求对疲劳载荷进行统计分析的过程。
载荷谱中的一个交变载荷就是一个载荷循环,一个载荷循环的载荷大小通常可用5个参数来描述:最大载荷、最小载荷、载荷幅值(或载荷变程)、载荷均值和载荷比。为便于说明,这里用如图4所示的常幅应力谱来代表载荷谱,其载荷大小变成相应的应力大小。设最大应力为Sma x和最小应力为Smin。定义应力幅值Sa、应力均值Sm、应力比R分别为


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图4 常幅载荷谱
若应力比R=-1,则称为对称循环疲劳载荷;若R=0,则称为脉动循环疲劳载荷。5个参数中只要知道其中任意两个,就可求出其他三个。
载荷出现频数是指某一载荷谱块中各级载荷出现的次数。一个载荷谱块可大可小,最大的可用一个寿命期作为一个载荷谱块,小的可用一次飞行或一个任务段时间作为一个载荷谱块,比较常用的是用1000飞行小时、100飞行小时的整数倍、飞行训练大纲的一个训练周期或一年的飞行时间作为一个载荷谱块,一个载荷谱块也称一个载荷谱周期。一个载荷谱周期载荷出现频数有两种表示法:各级载荷大小实有出现频数和累积出现频数。
载荷顺序指载荷谱中各级载荷大小排列的先后次序,载荷顺序既包括一个载荷谱块内各级载荷大小的排列顺序,也包括一个谱块内各种任务及各次飞行的排列顺序。
3.飞机载荷谱分类
1)按疲劳载荷来源分
可分为机动载荷谱、阵风载荷谱、座舱增压谱、着陆撞击谱、滑行谱、地面操纵载荷谱(包括刹车、转弯、牵引、打地转、最小半径转弯、发动机地面试车等)、振动谱、声载荷谱、热载荷谱等。
2)按编谱目的分
(1)过载谱。根据飞机三向过载(主要是重心法向过载)的时间历程而编制的谱,该谱用于评价载荷谱的严重程度,且作为编制飞机部件载荷谱或应力谱的基本输入。
(2)试验载荷谱。主要用于飞机元件、构件、部件或全机疲劳、耐久性或损伤容限试验。
(3)应力谱。主要用于估算飞机结构关键部位的疲劳寿命,并用于进行疲劳及断裂分析。
3)按飞机型号全寿命管理周期分
(1)设计使用载荷谱。在飞机设计阶段为进行疲劳/断裂分析和疲劳、耐久性和损伤容限试验所编制的载荷谱。
(2)服役使用载荷谱。在飞机服役期间(包括领先飞行期间)通过专门测试设备的飞行实测或使用寿命监控所编制的载荷谱。服役使用载荷谱也称实测载荷谱。从飞机使用寿命监控角度来说,服役使用载荷谱包括基准使用载荷谱和单机使用载荷谱。
4)按使用寿命监控的飞机范围和数量分
(1)单机使用载荷谱。飞机机队中每架飞机在整个使用寿命期内的载荷经历,一般通过单机监控获得。
(2)飞机机队基准使用载荷谱。代表飞机机队基准使用情况的载荷谱,一般通过机队抽样监控获得。
(3)飞机基准使用载荷谱。代表某一型号飞机所有机队基准使用情况的载荷谱。换句话说,它是该型飞机所有机队的加权基准使用载荷谱。
现代飞机往往具有多用途能力,会执行各种不同的任务,战术技术和训练方法也会发生很大变化。不仅机队飞机实际的使用情况和设计预定的使用情况有显著差别,各个机队之间的使用情况也不相同,单架飞机的使用情况与机队基准使用情况也有显著差别。单机使用载荷谱有的要比机队基准使用载荷谱严重,有的则要轻得多。机队基准使用载荷谱和飞机基准使用载荷谱之间也有类似的情况。因此,很有必要编制这几种不同类型的服役使用载荷谱。
5)按载荷顺序分
(1)无顺序载荷谱。指各级载荷大小的实有频数或累积频数。在这种谱中,没有载荷顺序的信息。这种谱主要用做编制飞-续-飞谱或程序块谱的直接输入,还可用于判断和比较各种载荷谱的严重程度。
(2)等幅谱。载荷大小为某一定值的载荷谱,其载荷顺序很显然是单一的,如图1-4所示。这种谱主要用于材料疲劳性能试验,也用于疲劳分析方法的研究,有时还用于比较两个结构疲劳性能的优劣。
(3)程序块谱。在一个载荷谱块(如100飞行小时或一个飞行训练周期)中载荷顺序为某种固定顺序的载荷谱。固定的载荷顺序一般为低—高—低、低—高或高—低等,如图5所示。


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图5 程序块谱
(4)飞—续—飞谱。按一次飞行接着一次飞行所构成的载荷谱。在一次飞行或一次飞行的一个任务段中,载荷顺序可以是随机的,也可以是程序化的。各次飞行之间的排列可以是随机的,也可以是程序化的。飞—续—飞谱从不同角度还可以分成若干种类,这在后面将提到。
值得一提的是,程序块谱和飞—续—飞谱既可以是试验谱,也可以是应力谱。换句话说,这两种谱根据不同的目的,既可以用作疲劳/耐久性/损伤容限试验,也可以用作寿命估算和疲劳/断裂分析。
6)按任务剖面形式分
(1)任务段谱。以任务段作为编谱单元编制的载荷谱。
(2)任务谱。以各种任务的一次飞行作为编谱单元编制的载荷谱。一般来说,它由任务段谱导出,也可直接从实测结果给出。
(3)总谱。按飞机所有使用情况编制的载荷谱,可由任务段谱或任务谱导出。
7)按实测载荷谱编制方法分
(1)传统均值载荷谱。按传统均值载荷谱编制方法编制的实测载荷谱。
(2)代表起落随机载荷谱。按代表起落随机载荷谱编制方法编制的实测载荷谱。
8)按零部件载荷传递方式分
可分为弯矩谱、剪力谱、扭矩谱、拉压载荷谱。
9)按谱的严重程度分
(1)平均谱。按飞机使用分布内的平均使用情况编制的载荷谱。
(2)严重谱。按飞机使用分布内的严重使用情况编制的载荷谱。
三、飞机环境
飞机使用环境指飞机在服役使用过程中所经受的环境因素。飞机环境因素可分为自然环境因素和诱发环境因素两大类,见表1。从该表可以看出,自然环境因素主要包括化学、热和气候等因素,诱发环境因素主要包括化学、力学和热等因素。从环境性质来说,飞机环境包括载荷环境和腐蚀环境,载荷环境会给飞机结构造成机械破坏,而腐蚀环境会给飞机结构造成腐蚀损伤。载荷和环境的联合作用会造成结构的应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳损伤。
表1飞机使用环境分类


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四、飞机环境谱
飞机环境试验一般可分为环境鉴定试验和环境可靠性试验。环境鉴定试验是取含一定风险率的合理极值进行试验,而可靠性试验要尽可能模拟真实环境,各级环境强度和施加次序与实际环境尽量相同或相当,因此,需要用环境谱来进行试验。
1.飞机环境谱概念
环境对飞机材料性能和飞机结构使用寿命的影响是一种客观存在,如何去描述使用环境并反映这种客观存在呢?正如人们用载荷谱去描述飞机所经受的疲劳载荷一样,人们也用环境谱去描述飞机所遭受的化学、热和气候环境。这里所研究的飞机环境谱,是指飞机在实际使用过程中,影响飞机结构使用寿命的那些腐蚀环境以及由这些腐蚀环境所编制的谱。
人们对于飞机使用载荷谱是相当熟悉了,下面从载荷谱和环境谱的比较来阐述飞机环境谱概念。
从谱的来源看,载荷谱和环境谱有着形式上相似的来源。飞机疲劳载荷有两种主要来源:外界自然环境,如大气紊流、跑道不平度等;内部结构使用,如空中操作、地面操作等。飞机腐蚀环境也有两种主要来源:外界自然环境,如气温、湿度、盐雾、大气污染等;内部结构使用,如气动加热、喷气燃油、撒农药等。
从谱的原始表现形态来看,载荷谱主要表现为载荷大小随时间的变化,即载荷时间历程,环境谱也主要表现为环境强度随时间的变化,即环境时间历程,两者相似。然而在具体表现形态上,两者却有很大差别。就一次飞行的载荷时间历程来说,载荷大小的变化比较急剧。这体现在载荷变化速率较快,载荷峰谷出现的次数相当多,在每个峰谷上基本没有或只有很短的持续时间,因此,载荷波形可简化为三角波;就一次飞行的环境时间历程来说,环境强度的变化比较平稳,这体现在环境强度变化速率较慢,环境强度峰谷出现的次数很少,并且在每个峰谷上基本都有长短不同的持续时间,因此,环境强度波形可简化为梯形波。
作为两种谱表现形态不同的一个例子,图6给出一次飞行重心法向过载时间历程和飞机总温时间历程的示意图,这两个时间历程都是根据飞行实测结果经过滤波简化处理而得。由图6看出,法向过载nz在一次飞行中共有61个峰谷;而总温T*只有7个峰谷,不仅每个峰谷上都有持续时间,并且有的峰与相邻的谷之间还有平台过渡,使波形呈阶梯形,与nz密集的三角波形完全不同。


飞机载荷/环境谱简介
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图6 飞机载荷时间历程和温度时间历程的比较
从谱的要素来看,两者既有相同又有不同的地方。飞机载荷谱有三个基本要素:载荷大小、出现频数和先后顺序。一般来说,飞机环境谱也有三个基本要素,但与载荷谱的三个基本要素不完全相同,它们是环境强度、持续时间和先后顺序。也就是说,飞机使用环境谱是用各级环境强度的持续时间和先后顺序表示。
环境谱和载荷谱基本要素的不同正是由于两者的原始表现形态不同所致。如上所述,在飞机载荷时间历程中,载荷循环次数很多,每个载荷循环所花的时间很短,经过数据处理和统计分析后,作为原始历程里的时间因素淡化了,而是用某一载荷谱周期(如1000飞行小时)内各级载荷出现的频数所代替。在飞机环境时间历程中,尽管也存在各级环境强度的频数,但在同一次飞行中,各级环境强度的出现频数比各级载荷大小的出现频数少得多,而某级环境强度的持续时间比某级载荷大小的持续时间长得很多。因此,在对原始环境历程进行数据处理和统计分析时,似乎可以淡化出现频数,强化持续时间,用各级环境强度的持续时间去代替各级环境强度的出现频数。
由以上分析可以看出,飞机使用环境谱实质上是飞机使用过程中各级环境强度随不同持续时间的排列,这一基本认识正是编制飞机使用环境谱的出发点。
2.飞机环境谱分类
可从不同的角度对经受腐蚀和腐蚀疲劳的飞机环境谱进行分类。
1)环境状态
从环境状态来看,飞机环境谱可分为液体谱(污水、盐水、酸雨、液态农药等)、气体谱(空气、水蒸气、氢、二氧化硫等)、压力谱、湿度谱、浮沉物谱和砂粒谱等。
2)环境性质
从环境性质来看,可分为化学环境谱和气候环境谱,前者包括盐水(雾)谱、氢谱、二氧化硫谱、农药谱等,后者包括温度谱、湿度谱、大气压力谱等,酸雨谱介于这两者之间。
3)环境来源
从环境来源来看,可分为外界自然环境谱和内部工作环境谱,后者包括服役使用和人为因素引起的环境谱。
4)编谱方法
从编谱方法来看,可分为空中环境剖面谱、地面停放环境谱、环境频率谱、环境总谱、飞—停—飞(或停—飞—停)环境谱等。
5)编谱目的
从编谱目的来看,可分为使用环境谱和当量环境谱。前者是按飞机的实际使用环境而编制的环境谱,因而这种环境谱基本上能反映飞机的真实使用环境情况。后者是对使用环境谱经过一定的当量化处理后所编制的环境谱,主要用于当量环境条件下的加速试验,因此,当量环境谱从某种程度(某种试验条件下)来说也称加速试验环境谱。
6)载荷和环境组合
从载荷谱和环境谱的组合来看,可分为飞—续—飞载荷—环境谱和程序块载荷—环境谱。很显然,参与这种组合的环境谱只能是当量环境谱。
7)飞机结构部位
从飞机结构部位来看,可分为飞机总体环境谱和飞机结构局部环境谱。前者指从总体来说飞机所遭受的各种使用环境谱,但这些总体环境谱对飞机结构不同部位的严重程度不同,不同部位对各种环境的敏感性也不相同,因此,还应根据总体环境谱来确定飞机主要结构部位的局部环境谱。
五、飞机载荷/环境谱的重要性
飞机载荷/环境谱编制是飞机设计研制工作的重要组成部分,它对确定飞机结构使用寿命起着非常重要的作用。飞机整个研制过程和全寿命管理中都离不开载荷/环境谱的编制,在新机设计阶段,需要编制设计使用载荷/环境谱对新机进行初步疲劳/断裂分析,以确定飞机结构型式、选择结构材料、给出目标设计寿命等;设计定型后期需要编制试验谱进行全机或主要部件的全尺寸耐久性/损伤容限试验,以确定并验证设计使用寿命;飞机投入使用后,还要通过专门的飞行试验或寿命监控编制飞机服役使用载荷/环境谱,以重新评定飞机使用寿命,并随时监控单机使用寿命的耗损情况。从现代飞机耐久性/损伤容限设计准则来说,载荷/环境谱是飞机结构进行耐久性/损伤容限设计、分析、试验、评定的基础和输入,也是飞机型号定寿和延寿的主要依据。



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