民用飞机飞行使用载荷谱数据清洗方法研究

徐春雨，陆 琪，黄 勇

(上海飞机设计研究院, 上海 201210)

载荷谱是飞机结构设计和强度校核以及飞机结构疲劳寿命预测的基础[1]。民用飞机飞行载荷谱是指飞行过程中实测的一系列与时间相关的数据，反映了飞机飞行过程中所经历的真实受载情况。因此通过对飞行载荷谱的研究，可以获得飞机结构真实的使用寿命情况，并可用于民用飞机单机疲劳损伤评定及维修检查间隔的定制及优化。然而，随着近些年实测记录参数及数据点的快速增多[2]，形成了海量的实测数据，其处理过程非常复杂，需耗费大量的人力和物力。

目前，常用的飞行载荷谱低载截除方法尚局限于经验方法，经验方法中各种飞机的载荷谱数据截除标准和方法也不一样[3-7]，不具有通用性。本文针对民用飞机飞行载荷谱，提出了一种“四点法”数据清洗方法，该方法在保证载荷次序不变的基础上，能够有效截除对疲劳损伤影响较小的载荷循环，从而大大提高数据处理的效率。

1 峰谷值提取

民用飞机飞行载荷谱种类众多，包括速度、高度、重心法向过载系数、马赫数等，在进行载荷谱峰谷值提取时，提取方法是相同的。载荷谱峰谷值提取遵循以下规则：

1)在载荷历程的上升段，只保留上升段最高处的峰值，剔除中间的数据点；

2)在载荷历程的下降段，只保留下降段最低处的谷值，剔除中间的数据点。

以飞机重心法向过载谱为例，其载荷历程1的原始谱片段如图1所示。对载荷历程1中的局部峰谷值进行提取，结果如图2所示。

图1 重心法向过载原始谱

图2 载荷历程1峰谷值图

按照上述规则，分别对需要研究的飞行载荷谱进行峰谷值提取，建立起峰谷值数据库，为后续基于“四点法”的数据清洗奠定基础。

2 基于“四点法”的数据清洗

采用“四点法”对峰谷值数据库进行数据清洗。四点法是指从整个载荷历程的第一个数据点开始，每次选取4个数据点构成一个载荷循环，将该载荷循环与依据疲劳损伤容限评定得到的门槛值进行比较，剔除幅值小于门槛值的载荷循环，保留幅值大于门槛值的载荷循环。以飞机过载为例，门槛值的定义如下：

Δ=(Amax-Amin)·ε

(1)

式中：Δ为门槛值；Amax为整个载荷历程中的过载最大值，g；Amin为整个载荷历程中的过载最小值，g；ε为疲劳损伤容限专业确定的阈值(无量纲)。

飞行载荷谱按照载荷循环起点的不同可以分为起点为谷值和起点为峰值两大类，本文对每类载荷循环的“四点”数据形态进行数据清洗方法的说明。

2.1 载荷循环起点为谷值

载荷循环的起点为谷值时，依据“四点”数据前后两个峰值点的大小关系，可分为以下两类：

1)第二个峰值大于第一个峰值，即nD>nB(nD为D点的载荷值，nB为B点的载荷值，下同)，如图3所示，对于该四点循环ABCD，分别比较每一段载荷与门槛值的大小来决定数据点的去留。

图3 起点为谷值且第二个峰值较大时的四点载荷循环

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环ADEF，如图4(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环CDEF，如图4(b)所示。

图4 起点为谷值且第二个峰值较大时的数据清洗结果

2)第二个峰值不大于第一个峰值，即nD≤nB，如图5所示。

图5 起点为谷值且第二个峰值较小时的四点载荷循环

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环BCDE，如图6(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环ABEF，如图6(b)所示。

图6 起点为谷值且第二个峰值较小时的数据清洗结果

2.2 载荷循环起点为峰值

载荷循环起点为峰值时，依据“四点”数据前后两个谷值点的大小关系，可分为以下两类：

1)第二个谷值大于第一个谷值，即nD>nB，如图7所示。

图7 起点为峰值且第二个谷值较大时的载荷循环

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B和C，以B和C作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环BCDE，如图8(a)所示。

若|nB-nC|<Δ，保留A和B，以A和B作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环ABEF，如图8(b)所示。

图8 起点为峰值且第二个谷值较大时的数据清洗结果

2)第二个谷值不大于第一个谷值，即nD≤nB，如图9所示。

图9 起点为峰值且第二个谷值较小时的载荷循环

若|nB-nC|<Δ，保留A和D，以A和D作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环ADEF，如图10(a)所示。

若|nB-nC|≥Δ，保留A、B、C和D，以C和D作为下一个四点循环的起点，构成新的四点循环CDEF，如图10(b)所示。

图10 起点为峰值且第二个谷值较小时的数据清洗结果

2.3 数据清洗案例

以某型飞机一关键件在一段飞行过程中所承受的载荷数据为例，通过“四点法”数据清洗(设定Δ=30%)，得到相应载荷历程数据清洗后的载荷谱，如图11所示。

图11 数据清洗结果

为了验证清洗结果的合理性，对该关键件的一疲劳细节部位进行原始谱及清洗谱的损伤分析，分析结果见表1。

从表1可见，通过“四点法”数据清洗，虽然载荷数据点从1 000个减少至16个，但能基本保证原始谱的损伤大小，说明该数据清洗结果合理有效。

表1 损伤分析结果

3 结束语

本文提出了一种基于“四点法”的民用飞机飞行载荷谱数据清洗方法，主要包括两个步骤：从原始载荷历程中提取局部峰谷值，组成峰谷值数据库；依据疲劳损伤评定门槛值，采用“四点法”对四点载荷循环进行清洗，得到载荷历程的清洗谱。该数据清洗方法在保留原始载荷谱加载次序的基础上，剔除了对疲劳损伤容限影响较小的载荷数据点，从而大大减少了后续数据处理所需的人力和物力。该方法对于单机疲劳损伤评定及维修检查间隔制定具有十分重要的意义。