飛機(jī)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孟敏，吳波，唐寧

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

飛行載荷測(cè)量是驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，完成飛機(jī)定型必需的試驗(yàn)項(xiàng)目[1]。除非表明確定受載情況的方法可靠，否則用以確定載荷大小和分布的方法必須用飛行載荷測(cè)量來(lái)證實(shí)[2]。應(yīng)變法[3]是飛行載荷測(cè)量的主要方法，在飛行中實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變，將應(yīng)變帶入載荷方程中，得到飛行載荷[4]。載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是建立載荷方程的重要環(huán)節(jié)。載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)受載特點(diǎn)，在合適的位置加裝應(yīng)變計(jì)，模擬飛機(jī)實(shí)際受載情況，對(duì)飛機(jī)施加校準(zhǔn)載荷，建立校準(zhǔn)載荷與應(yīng)變響應(yīng)的關(guān)系，即載荷方程[5,6]。

載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)是指模擬試驗(yàn)加載工況，對(duì)試驗(yàn)部件的有限元模型進(jìn)行加載，計(jì)算分析測(cè)載部位的結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況，建立載荷方程的過(guò)程。通過(guò)虛擬試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)試驗(yàn)的外推、預(yù)測(cè)以及模擬演練等。在國(guó)外，美國(guó)曾在YF-12、B-2等飛機(jī)上成功應(yīng)用了載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，虛擬試驗(yàn)尚僅限于對(duì)小部件的部分研究[7,8]。

在載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，規(guī)劃加載工況是主要內(nèi)容。加載工況設(shè)計(jì)的目標(biāo)是既能使載荷方程有足夠高的精度，又不至于有太多冗余工況。如果加載工況數(shù)量太多，則會(huì)在校準(zhǔn)試驗(yàn)中花費(fèi)較多的人力、物力、財(cái)力與時(shí)間；如果加載工況數(shù)量不夠，則會(huì)降低載荷方程精度，甚至導(dǎo)致校準(zhǔn)試驗(yàn)無(wú)效。在實(shí)際工作中，校準(zhǔn)試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)依賴于力學(xué)分析與工程經(jīng)驗(yàn)，為了保證載荷方程精度，一般會(huì)實(shí)施較多的載荷工況。為了提高試驗(yàn)效率，保證載荷方程精度，需要研究載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文基于載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)，研究了載荷方程建模工況數(shù)量以及建模工況選取對(duì)載荷方程精度的影響，提出了載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 載荷方程建模方法

以剪力載荷方程為例，介紹載荷方程建模方法[9-11]。假設(shè)有n個(gè)加載工況用于剪力載荷方程建模。將每個(gè)工況的剪力合力組成剪力矢量，記為：

在測(cè)載剖面上篩選m個(gè)應(yīng)變電橋，用于剪力方程建模。在剪力Vi工況下，m個(gè)應(yīng)變電橋的響應(yīng)分別為[εi1εi2εim]。將n個(gè)剪力工況的所有應(yīng)變響應(yīng)集成矩陣為：

則有載荷與應(yīng)變關(guān)系如下：

式中：β=[β1β2…βm]T即為載荷方程系數(shù)。計(jì)算β如下：

2 載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)建模

2.1 有限元模型構(gòu)建

以某型飛機(jī)機(jī)翼為研究對(duì)象，基于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳力路徑分析和受力分析，對(duì)機(jī)翼進(jìn)行建模簡(jiǎn)化，保留主傳力結(jié)構(gòu)：前梁、后梁、壁板和肋，其余次要承力部件不參與建模。由于左右機(jī)翼為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只保留單側(cè)機(jī)翼進(jìn)行建模。利用MSC.Patran軟件建立的有限元模型如圖1所示。

音樂要服從于詩(shī)歌是格魯克歌劇創(chuàng)作的基本原則。正如他在歌劇《阿爾采斯特》宗譜序言里提到的，音樂應(yīng)該“幫助加強(qiáng)詩(shī)歌的表情并祈禱促使劇情發(fā)展的作用”，而不是“用多余的裝飾去阻礙動(dòng)作和劇情”。歌劇的一切表現(xiàn)手段都要與劇情的發(fā)展相關(guān)。“追求新奇幾乎沒有價(jià)值，除非它們出于情景和表情的需要。”基于這個(gè)原則，格魯克對(duì)意大利正歌劇的歌唱部分、樂隊(duì)部分、舞蹈和舞臺(tái)布景等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，避免了一切因?yàn)楦璩呋蜃髑叶霈F(xiàn)的錯(cuò)誤。

2.2 虛擬應(yīng)變電橋構(gòu)建

圖1 機(jī)翼的有限元模型Fig.1 Finite element model of the wing

機(jī)翼上的虛擬應(yīng)變電橋類型包括彎矩電橋、拉壓電橋、剪力電橋和扭矩電橋，共8 組應(yīng)變電橋。電橋位置分布在前梁腹板、后梁腹板以及上壁板，如圖2所示。

圖2 機(jī)翼根剖面應(yīng)變電橋Fig.2 Wing root profile strain bridge

用來(lái)測(cè)載的應(yīng)變電橋?yàn)榛菟雇ㄈ珮颍? 個(gè)橋臂（R1、R2、R3 和R4）組成，如圖3 所示。每個(gè)橋臂都代表特定位置、特定方向的應(yīng)變。定義局部坐標(biāo)系，選取特定位置、特定方向的應(yīng)變響應(yīng)，組成惠斯通全橋。

3 載荷方程建模工況選取研究

載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載工況包括載荷方程建模工況和驗(yàn)?zāi)９r。建模工況用來(lái)建立載荷方程，數(shù)量多于驗(yàn)?zāi)９r，是加載工況的主要組成部分。本節(jié)開展虛擬試驗(yàn)，研究相同建模工況數(shù)量下，建模工況的選取對(duì)載荷方程精度的影響。

圖4 為某型機(jī)機(jī)翼、載荷測(cè)量剖面及載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)加載點(diǎn)示意圖，圖中共有一個(gè)載荷測(cè)量剖面和18 個(gè)加載點(diǎn)。

以剪力載荷方程為例來(lái)研究。設(shè)計(jì)4點(diǎn)加載工況作為建模工況，共20個(gè)工況，見表1。

圖3 應(yīng)變電橋組橋形式Fig.3 The form of the strain bridge

選擇12點(diǎn)加載工況和14點(diǎn)加載工況作為驗(yàn)?zāi)９r，共三個(gè)工況，見表2。

將以上建模工況與驗(yàn)?zāi)９r載荷輸入有限元模型，分別計(jì)算得到各個(gè)工況下虛擬應(yīng)變電橋的響應(yīng)。

圖4 機(jī)翼載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)加載點(diǎn)Fig.4 Wing load calibration virtual test load point

表1 載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)建模工況Table 1 Load calibration virtual test modeling conditions

表2 載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)９rTable 2 Load calibration virtual test verification conditions

表3 相同工況數(shù)不同加載位置的剪力方程檢驗(yàn)誤差Table 3 Test error of shear equation for different loading positions of the same number of conditions

分析表3 結(jié)果，發(fā)現(xiàn)載荷方程1 誤差較大，超過(guò)5%，其余方程誤差均在可接受范圍內(nèi)。方程1與方程2～10的差別在于，沒有選用工況19 和工況20。進(jìn)一步尋找原因，發(fā)現(xiàn)該剖面的壓心范圍與工況19 和工況20 的壓心位置接近。因此工況19和工況20是建模的必需工況。本節(jié)研究表明，為了提高載荷方程精度，應(yīng)選取壓心在測(cè)載剖面壓心范圍內(nèi)的加載工況來(lái)建模。

4 載荷方程建模工況數(shù)量研究

本節(jié)研究建模工況數(shù)量對(duì)載荷方程精度的影響。設(shè)置建模工況數(shù)目梯度，分別用6、8、10、12、14、16、18和20個(gè)工況來(lái)建立剪力方程。其中每組建模工況均包含工況19 和20，即各組工況均涵蓋了測(cè)載剖面的壓心范圍。之后針對(duì)每種載荷方程，分別用驗(yàn)?zāi)９r來(lái)檢驗(yàn)方程誤差。方程檢驗(yàn)誤差結(jié)果見表4。

用于結(jié)構(gòu)載荷測(cè)量的載荷方程，其檢驗(yàn)誤差一般應(yīng)小于5%。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）用工況6 建模所得載荷方程誤差較大。根據(jù)式（3），若要β有解，要求n≥m，即用于建模的工況數(shù)量要不少于應(yīng)變電橋數(shù)量。本虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校摂M應(yīng)變電橋共8個(gè)，因此選用6 個(gè)工況建模時(shí)方程誤差較大。由表4 可見，直到用8個(gè)工況建模，方程誤差才會(huì)明顯減小。因此，為了保證載荷方程精度，要有足夠的建模工況。具體數(shù)量需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行分析。

表4 不同工況數(shù)量的剪力方程檢驗(yàn)誤差Table 4 Test error of shear equation for different loading conditions

（2）建模工況數(shù)量為20、18、16、14、12、10和8的載荷方程均滿足要求，且具有較高精度。可見建模工況數(shù)量達(dá)到一定程度后，增加建模工況數(shù)量，載荷方程精度并不會(huì)明顯提高。因此應(yīng)該在保證載荷方程精度的情況下，適當(dāng)精簡(jiǎn)建模工況數(shù)量，以提高試驗(yàn)效率。

5 結(jié)論

本文基于載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)，研究了載荷方程建模工況數(shù)量以及建模工況選取對(duì)載荷方程精度的影響，提出了載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)加載方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文研究可以得出以下結(jié)論：

（1）用不同數(shù)量的工況進(jìn)行載荷方程建模時(shí)，當(dāng)所建載荷方程模型均滿足精度要求，應(yīng)選用工況數(shù)量較少的設(shè)計(jì)方案，以提高載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)效率。如果條件允許，可通過(guò)載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）為了保證載荷方程精度，要有足夠的建模工況。一般來(lái)講，建模工況數(shù)量應(yīng)多于建模應(yīng)變電橋數(shù)量。具體工況數(shù)量需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行分析，如果條件允許，可通過(guò)載荷校準(zhǔn)虛擬試驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)選取壓心在測(cè)載剖面壓心范圍內(nèi)的建模工況來(lái)建立載荷方程，以提高載荷方程精度。