SPHM技术在新机研制中的实践与发展

新一代先进战斗机对机体平台的要求为轻重量、高承载、长寿命及多功能。为实现这个目标,结构故障预测与健康管理(SPHM)技术是一项亟须解决的关键技术,是实现由传统的事后维修和定期维修转向基于状态的视情维修的重要手段。针对SPHM的主要功能、关键技术和系统设计与研制,本文阐述了强度设计团队近年来在SPHM方面的研究成果、设计实践、技术发展及后续展望。这些技术成果已成功应用于新一代战机SPHM系统的研制。

小子样疲劳试验数据的特征寿命估算方法评估

疲劳试验数据一般属小子样范畴,在Weibull寿命分布的假设下应考虑特征寿命的统计置信度。总结特征寿命概率估计的贝叶斯法和虚拟增广样本的Bootstrap法,通过2024-T3直耳片的七组疲劳试验数据对二者进行对比和评估。针对EDF拟合检验法无法对特征寿命估计值的合理性提供实质性指导的问题,提出一种新的试验样本数据全部落入寿命分布(1-a)双侧百分位区间的判定方法。结果表明:Bootstrap法的特征寿命估计值比贝叶斯法偏大;本文提出的判定方法可有效定性判断特征寿命估计值偏大或偏小。

一种预测随机谱下裂纹扩展曲线的新方法

提出了一种基于贝叶斯理论在随机谱下采用Walker公式预测裂纹扩展曲线的新方法。首先,将Walker公式中裂纹扩展参数C、n视为随机变量,利用随机谱下的试验数据,基于贝叶斯理论建立其联合后验分布表达式;其次,巧妙地将随机谱下的裂纹扩展分析嵌入马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法中,实现对C、n后验分布的抽样;最后,将C、n后验分布均值代入Walker公式中,预测给定初始长度的裂纹在随机谱下的扩展曲线(a-N曲线)。利用7050-T7651和7050-T7452两种材料在随机谱下的裂纹扩展数据验证,发现仅需使用较少的试验数据,基于C、n后验均值预测的a-N曲线与试验a-N曲线就能良好吻合。研究结果对实现结构健康监控(SHM)中对结构未来损伤的准确预测,具有较大的工程应用价值。

飞机结构耐久性严重谱下疲劳分散系数研究

疲劳分散系数是使用载荷谱下的飞机结构寿命可靠性指标,用于描述疲劳分析和试验结果的可靠度。军用飞机结构强度规范(GJB67.6-2008)规定,当采用平均谱进行耐久性分析时,分散系数一般取4,对应99.9%可靠度;而当采用严重谱进行分析时,分散系数在2~4之间,但具体值并未明确。参考了大量的相关资料,在载荷谱造成的疲劳损伤与结构临界损伤值均服从对数正态分布前提下,对疲劳分散系数进行理论推导,并结合疲劳试验寿命分散性研究结果,明确了耐久性严重谱下结构寿命的疲劳分散系数,为国内将耐久性严重谱应用于军机结构疲劳设计和全尺寸疲劳试验打下了基础。

基于虚拟标定试验的翼身交点载荷方程研究

本文重点研究了基于虚拟标定试验的翼身交点载荷方程及应用情况。通过建立虚拟标定试验样机,布置虚拟应变电桥,进行虚拟标定试验,得到翼身交点虚拟标定载荷方程。利用某型飞机地面简易标定试验结果,对虚拟标定载荷方程进行修正,获得该型飞机单机翼身交点载荷方程,并利用地面试验数据进行校验。由此方法获得的单机翼身交点载荷方程可用于单机载荷历程监控,并为结构故障预测与健康管理(SPHM)寿命预测提供满足精度要求的载荷输入条件。

先进战斗机强度设计技术发展与实践

新一代先进战斗机对机体平台的要求可以总结为轻重量、长寿命、多功能以及高承载。实现这个目标,除了材料与制造(新材料、新工艺、新结构/装配)的贡献,主机所强度设计/分析/验证技术也必须提升以适应先进战斗机的研制要求。本文阐述了强度设计团队围绕结构完整性要求,近年来在结构强度设计/分析/验证方面的研究成果、技术发展与设计实践,主要包括:面向新一代战斗机强度设计与验证的规范架构,基于多维包线的结构载荷筛选技术,基于统一模型的全机内力分析技术,复合材料整体化结构分析技术,高精度快速细节应力分析技术,内埋武器舱预紧舱门原理与强度设计,双曲面加筋壁板快速建模及声疲劳分析方法,结构故障预测与健康管理系统设计等。上述研究成果已成功应用于新一代战斗机机体平台研制。

基于飞行参数的飞机结构载荷最优回归模型

基于飞行参数获取外场飞机疲劳关键结构载荷历程是结构故障预测与健康管理系统的一项关键技术,如何构建鲁棒性好且精度高的结构载荷回归模型是保证载荷识别和寿命预测准确性的关键。结合多元线性回归分析,提出并详细介绍了一种筛选最优输入参数组合的技术途径:首先,进行多重共线性诊断以减弱自变量之间的多重共线性;然后,进行残差分析,删除异常样本点;最后,采用逐步回归法筛选出最优自变量组合。指出传统的多重共线性诊断方法存在一定弊端,并分别基于偏相关系数法和辅助回归方程法,提出了2种更为合理可行的诊断方法。以典型战斗机翼身连接框某关键部位的载荷和应力为样本数据,对最优输入参数组合的筛选步骤展开详细说明,验证了所提出的技术途径不仅可以确保飞机结构载荷模型的精度,而且可以提高模型的稳定性和鲁棒性。

基于平均扩展速率的裂纹扩展模型

不同于基于线弹性断裂力学(LEFM)的经典裂纹扩展模型,基于平均扩展速率的裂纹扩展模型通过形式简单的经验公式来描述随机载荷谱下单位飞行小时的平均裂纹扩展,该模型将随机谱当作"当量常幅谱"处理,模型中仅有两个特征参数,反映了所有复杂的载荷顺序效应及其他影响。基于该模型,进一步提出速率类比法则,可基于试验谱下扩展速率对未试验谱下扩展速率进行合理预测。首先介绍了基于Frost&Dugdale公式和基于Paris公式的平均扩展速率模型的内涵及参数推导方法,然后通过典型机身框关键部位模拟件在多种随机谱下的疲劳试验数据对平均扩展速率模型和速率类比法则进行试验验证。经对比分析,推荐使用基于Paris公式的平均扩展速率模型。经验证,采用基于Paris公式的模型和速率类比法则,可实现随机载荷谱下裂纹扩展速率和寿命的高精度预测。同时,速率类比法则的准确度与理论参数推导时选取的经典LEFM模型有关。平均扩展速率模型和速率类比法则为外场飞机单机寿命监控提供了一种可靠的疲劳寿命预测方法。

基于应变测量的结构载荷分布反演方法

针对基于应变测量的载荷分布反演,首先对比分析现有几种影响系数法,并讨论影响载荷反演精度的几个关键问题。为解决单位载荷工况选取的难题,提出一种基于施密特正交化的最大垂直距离逐步筛选基工况法,从设计载荷工况库中筛选载荷基工况和应变基工况,建立一套完整的工程可行的载荷分布反演流程。为解决反向矩阵病态化的难题,引入Tikhonov正则化方法。以某型飞机机翼疲劳试验作动筒载荷和光纤传感器数据为算例,假设3种应变测量误差情况(无误差、5%随机误差、10%随机误差),验证了提出的载荷分布反演方法具有很高的预测精度和鲁棒性,可为新一代航空航天器的结构健康监控提供一条可靠的载荷识别途径。