民机飞行载荷谱编制方法

刘晓明

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191)

熊峻江

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191)

万少杰

(上海飞机设计研究院结构强度部，上海200232)

李 强

(上海飞机设计研究院结构强度部，上海200232)

飞行谱是飞机在全寿命期内各飞行与地面状态及其所持续时间的统计数据的比例，它综合考虑全机重量、重心位置及飞行高度与飞行时间的组合，能全面反映飞机的使用情况;载荷谱则是按照飞行谱飞行时飞机所承受载荷情况.飞行谱和载荷谱是飞机飞行载荷实测、疲劳载荷谱编制以及结构疲劳定寿的前提，国外大型民用飞机的发展具有较完备的飞机使用情况数据库，依据这些数据可以大大减少工作量，缩短新机研发周期［1］.国内外为此进行了大量研究，文献［2］提出了以代表每种实测科目的中值寿命或损伤的起落进行编谱的新方法，文献［3］则对该编谱方法赋予了置信度，建立了满足高置信度的中值随机疲劳载荷谱的编制原理.文献［4-5］建立了实测载荷谱数据处理系统，研究了载荷分布规律，提出了加速试验载荷谱编制方法，并进行试验验证;文献［6］研究了根据飞-续-飞随机疲劳载荷谱编制等幅载荷谱的方法.文献［7］采用多变量的Gaussian或t概率分布函数的混合模型模拟或编制载荷谱，该方法比以往单一模型具有更好精度.文献［8］采用Monte Carlo方法模拟大载荷出现小概率值，提高了载荷谱编制精度.综合考虑载荷、频数、顺序和分布等4方面因素编制的飞机载荷谱才具有真实性和准确性，对于运输机类飞机载荷谱编制，目前国内外广泛采用 TWIST标准编谱方法［9-13］，该方法对损伤模型假设的依赖性降至最低，并能给出更符合实际使用情况的疲劳载荷谱和更准确的试验结果，以往都是在已知实测载荷数据的条件下，采用此方法编制载荷谱，而对于新设计型号飞机，往往不存在系统的实测载荷数据或实测载荷数据不完备，则需要探索飞行谱与载荷谱编制的新途径，为此，本文提出借助同类机型的实测载荷数据编制新研制飞机的飞行谱和载荷谱的新方法，并给出实例，验证该方法的可行性与有效性.

1 民机飞行谱与载荷连续谱编制

民用飞机使用情况相对简单，通常不进行大过载的机动飞行，因此，其飞行谱中各机动飞行可统一进行考虑，但是，最终的飞行谱必须根据飞机的实际飞行使用情况，进行大子样的统计分析确定.飞机研制的初步设计和设计定型阶段，一般没有大子样载荷统计数据，则可根据研制型号的技术规范和相似机型类似任务的飞行谱类比得到，并将其作为暂定飞行谱，作为飞行载荷测量和初步寿命评估的依据.飞行谱的编谱方法有两种:设计分析法和统计分析法.设计分析法包括类比法和任务分解法;研制后期的飞行谱采用统计分析法进行［14］.某新研国产民机属国外 A320，B737-40，MD-82＆83，B767-200ER 等同一量级航程和载客数的机型，参照这些机型的飞行谱，采用类比法，分析和推断该国产民机的飞行谱.根据新研飞机设计目标和现有国外同类民机飞行实测的结果，分析飞机营运的长程、中程、短程的飞行时间和典型飞行任务剖面的标准使用情况(涉及地面滑跑、爬升、巡航、降落、飞行时间、速度、重量和高度以及花在每个操纵状态上的大致时间)，建立基准(标准)典型飞行任务剖面.某国产民机的标准航程为 4 075 km，因此，参照 A320、MD-82＆83和B737-400飞行谱数据［15-17］，采用类比法，确定其离地、爬升、巡航、降落、进场阶段的时间比例.飞行统计结果表明，MD-82＆83航班数3987，飞行小时数7120;B737-400航班数8679，飞行小时数13916，上述2种机型典型飞行任务剖面飞行小时数平均后的时间比例，可作为某国产民机暂定飞行谱的任务剖面时间比例，得到飞行剖面中各空中段的时间比例(如表1所示).

根据商业运营中的B737-400飞机的载荷统计数据［15］(如图1～图4所示)，将飞行剖面划分7个任务段进行载荷数据统计分析(如表2所示)，图1～图4所示的实测载荷数据为过载-超越数曲线，需对实测载荷数据进行函数拟合，获得连续过载谱，即载荷系数增量连续谱，以便进行载荷统计推断.

表1 民用飞机典型飞行任务剖面空中各阶段的时间比例

表2 典型任务段及其载荷谱类型

由于过载-累积发生次数理论上为单调的递增或递减，因此，采用直线m=A+B×Δnz拟合，拟合结果如表3所示，其中Δnz表示载荷系数增量;m表示每次飞行的各任务段中的载荷系数增量或遭遇突风的超越次数.参照B737-400飞机下翼面各飞行段的单位增量载荷系数(Δ1g)对应的应力水平σΔ1g的统计结果［15］，可由表3所示的载荷系数增量连续谱，计算某民机各飞行段的应力连续谱(如表4所示)，其中Δσ为在σΔ1g基础上的应力水平增量，等于σΔ1g与Δnz的乘积.

图1 每1000飞行小时中垂直突风过载增量的累积发生次数

图2 每1000飞行小时中机动载荷过载增量的累积发生次数

图3 起飞滑跑阶段每1000次飞行中机动载荷过载增量的累积发生次数

图4 着陆滑跑阶段每1000次飞行中机动载荷过载增量的累积发生次数

表3 各任务段载荷谱的突风增量载荷Δnz连续分析谱

表4 各飞行段的应力连续分析谱

2 民机5×5谱编制

按照TWIST标准编谱方法，由表4所示的应力连续谱，可编制民机的n×n地-空-地谱(即5×5 谱)，内容包括［10］:高、低载处理;应力连续谱的离散化;飞行任务类型与飞行载荷等级定义，即将飞行剖面中任务段划分为n类，各类任务段的载荷又划分为n等级;各任务段载荷次序的随机生成.由于过高拉伸应力会在裂纹形成部位产生内部残余应力和应变硬化，为了避免因裂纹扩展迟滞效应而截除出现次数很少的高水平载荷，为此，选取3000次飞行中被超过1次的最大载荷作为高载截取准则，进行高载截除，同时，为了减少试验时间需要删除不会对累积损伤产生影响，可略去不计的高频低载，借鉴波音737飞机试验谱中曾采用过的删除准则，选取删除低载的应力水平为13 MPa，各阶段的截除与删除准则如表5所示.

通过MATLAB编制程序完成载荷谱离散化，得到各级离散载荷及其出现次数.由于天气条件和其他外界因素的影响，每次飞行都包含不同载荷等级的不同飞行类型，为此，需要定义飞行类型，将不同等级离散载荷分配到各飞行类型，即将每类飞行中出现的最高载荷对应于离散谱n级载荷水平中的某一等级，最强烈的飞行类型则含有n级离散谱中的最高等级载荷，而离散谱中最小等级载荷仅仅存在于最平稳的飞行类型.离散载荷分配时，必须满足突风极值载荷对数正态分布准则、突风谱形状相似准则以及每次飞行机动循环数近似相同准则［11-13］，最终，获得巡航段突风谱载荷矩阵(如表6所示)和突风谱(如图5所示).

表5 各任务段应力连续谱的高载截取和低载删除水平

表6 巡航段的突风谱载荷矩阵

图5 巡航段的突风谱

采用相同方法和计算步骤，可以得到各飞行段的突风谱与机动谱及其载荷矩阵.在完成各飞行段各飞行类型的离散突风谱与机动谱的编制后，将各飞行段的具有相同载荷等级的飞行类型的谱编制在一起，即将所有飞行段的A类谱按飞行段的排列次序组合形成一个完整的A类飞行，依此类推，完成飞行段的5级离散谱的随机排列次序.首先进行飞行段的飞行类型的随机排列，然后对各个飞行类型包含的各级载荷随机排列，按照飞行段的发生次序将随机的载荷排列，得到的各个飞行段的载荷谱.起飞滑跑段和离地段的载荷谱分别如图6和图7所示，限于论文篇幅，其它飞行段的载荷谱就不详尽示出.按照上述方法编制的飞机机翼的下翼面的载荷谱如图8所示.

图6 起飞滑跑段的载荷谱

图7 离地段的载荷谱

图8 机翼下翼面的载荷谱

3 结论

1)本文探索了由同类机型的飞行实测载荷统计数据，推断新研制机型的飞行谱，进而编制其载荷谱的新途径，通过应用实例，验证了本文途径的可行性与有效性;

2)根据B737-400，A320和MD82＆83的性能参数及其飞行统计数据，采用类比法，推断了某国产民机的典型任务剖面和各飞行状态的时间比例，编制了飞行谱;

3)分析并处理了737-400飞行载荷(突风和机动)统计数据，拟合了过载系数与出现频次曲线，得到各任务段载荷谱的过载连续谱和应力连续谱;

4)按照TWIST标准谱编制原则，通过应力连续谱的离散、载荷水平比选取、极值载荷对数正态分布和形状相似以及每次飞行机动循环数近似相同检验，编制了国产民机的5×5谱，通过随机排序形成5×5地-空-地谱.

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