基于健康监测的飞机结构寿命预测技术

飞机结构健康监测技术在飞机的结构设计、飞行及维护过程中发挥着重要作用,该技术可用于结构健康状况预判、辅助维修与维护决策。本文首先介绍了当前结构健康监测的概念及其适用范围,讨论了结构健康监测相关规范要求,以F-35和A400M为例分析了国外飞机结构健康监测技术的典型工程案例,并给出了典型飞机单机跟踪和寿命控制、某老龄飞机载荷谱实测及寿命预测,总结了基于裂纹的监测方法研究及限制其应用的主要因素。在此基础上,提出了飞机结构健康监测系统设计的主要思路,给出了寿命预计的基本流程,阐述了其中控制点选择、飞行参数筛选、载荷/应变方程构建、损伤计算及寿命评估、结果输出及方程验证等主要环节。最后,对航空领域未来开展结构健康监测智能化研究进行了展望。

Arc-length technique for nonlinear finite element analysis

Nonlinear solution of reinforced concrete structures, particularly complete load-deflection response, requires tracing of the equilibrium path and proper treatment of the limit and bifurcation points. In this regard, ordinary solution techniques lead to instability near the limit points and also have problems in case of snap-through and snap-back. Thus they fail to predict the complete load-displacement response. The arc-length method serves the purpose well in principle, received wide acceptance in finite element analysis, and has been used extensively. However modifications to the basic idea are vital to meet the particular needs of the analysis. This paper reviews some of the recent developments of the method in the last two decades, with particular emphasis on nonlinear finite element analysis of reinforced concrete structures.

轮式装载机半轴载荷谱编制及疲劳寿命预测

通过实测装载机半轴典型作业工况的载荷信号,编制了半轴的载荷谱,为预测半轴疲劳寿命提供了载荷条件。根据所编制的载荷谱和半轴有限元分析结果,利用Miner准则对半轴进行了疲劳寿命预测。分析了不同工况对疲劳寿命的影响。结果表明:原生土和半湿土工况造成的疲劳损伤比例达到68.6%,而其他工况造成的损伤较小。考虑到不确定因素对疲劳寿命的影响,对半轴的疲劳寿命进行了灵敏度分析。由灵敏度分析结果可知,当半轴表面有100MPa的残余压应力,可提高寿命3.7倍;载荷幅值增加10%,寿命减少80%。该方法可以为准确预测装载机半轴疲劳寿命,改进半轴结构提供参考。

飞机疲劳载荷谱分析的一种新方法

在传统雨流计数法的基础上,提出了一种更优良的雨流计数新算法———等效载荷循环雨流计数法。该法按时间顺序计算载荷循环,完整记录了全部载荷历程而不改变其大小和顺序,对疲劳载荷发生时刻和疲劳损伤程度的分析更加准确,弥补了传统雨流计数法的缺陷。通过分析可知,该算法简洁明确,精确度高,抗随机噪声干扰能力强。最后在某型飞机部件载荷谱的疲劳分析实验,证明了该算法的有效性。

发动机航线类综合载荷谱研究

在空测和外场使用统计的基础上 ,根据综合任务谱和实际的飞行任务谱对发动机造成的疲劳和蠕变以及热冲击损伤一致的原则 ,在推导过程中保证两种谱的载荷循环数相同、各功率状态持续的时间相同以及主要的功率状态的变化顺序相同 ,将某发动机 5种航线类飞行任务和地面功能检查试车任务进行综合 ,得到航线类综合任务谱。然后根据发动机的高度 速度特性和飞行高度与速度计算出该发动机的航线类转速谱。综合任务谱和相应的转速谱的获得为推导加速任务试车谱奠定了基础。

航空发动机飞行载荷谱的预测

提出了基于飞机的设计飞行任务剖面、飞行力学及发动机原理的发动机飞行载荷的预测方法，即首先将飞机的设计飞行任务剖面通过飞行力学的基本原理转化为发动机的推力（或油门）剖面，然后通过发动机性能计算获得发动机的其它工作状态参数，从而获得发动机的飞行载荷谱。最后以某发动机为例。

航空发动机设计任务循环预测的计算机程序设计

对航空发动机设计任务循环预测的计算机程序组织结构和设计方法进行了研究。编写的程序包括飞行载荷谱的预测及飞行载荷谱的处理两大模块，该程序已应用于某型教练机发动机的设计载荷谱的预测研究，以及多种型号的发动机载荷谱的处理。

教练机发动机设计载荷谱推导方法

系统地研究了教练机航空发动机设计载荷谱的推导方法，主要包括：（1）基准机的选取与现役发动机载荷谱的空测、统计；（2）新机发动机飞行剖面的预测；（3）新机发动机设计任务循环的编制等三大步骤。提出的方法具有一定的通用性，可以推广到其它类型的发动机设计载荷谱研究。

教练机发动机使用任务循环推导

在大量的外场统计和空测的基础上，对某教练机发动机的外场使用载荷进行了分析研究，推导出了其使用任务循环，并与ＭＩＬ－ＳＴＤ－１７８３进行了对比分析，为国产同类新型教练机发动机的设计任务循环的预测奠定了基础。

一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的方法

提出了一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的等效载荷法,该法在变幅载荷的均方根算式中引入加权因子和修正系数来分别反映不同载荷变程和平均应力对变幅疲劳寿命的影响,并用相应获得的等幅载荷取代变幅载荷来估算谱载下的疲劳裂纹起始寿命.该法仅依赖于材料的等幅S-N曲线和单轴力学性能,不含任何待定参数,使用方便;两种材料3种谱载下15组变幅疲劳试验数据的评估结果显示,该法的平均寿命预测精度分别较同类型的Miner法则、修正Miner法则、均方根法提高了99.1％,24.6％和50.0％.

教练机发动机转速次循环分布规律

在大量的外场统计和空测的基础上，对某教练机发动机的外场使用载荷进行了分析研究，得出其转速次循环服从威布尔分布，并计算了其分布的密度函数。

估算谱载下疲劳裂纹起始寿命的工程实用方法

从工程应用的角度,将众多估算谱载下疲劳裂纹起始寿命的方法分为三类。对仅依赖于等幅试验且不含任何待定参数的工程实用方法作系统介绍。利用两种钢材在三种谱载下的15组变幅疲劳试验数据对这类方法的寿命预测能力进行实际评估。指出,修正Miner法则、改进均方根法和等效折算法的平均寿命预测精度落在试验分散带内或者接近于试验分散带,且其分散性不大,均可用于工程实际,其中又以等效折算法的寿命预测精度为最高。

从几个国防课题研究看实验力学在航空工程发展研究中的优势和重要作用

介绍十五年来，在四川大学工程信息技术研究所，作者主持和直接参加的几项航空工程重大课题研究的情况，这些课题有的获得了国家（国防）发明奖、发明专利；有的为我国新型歼击机的研制提高综合性能、保证飞行安全提供了关键重要试验数据，并为有关军标的制定提供试验设备和技术；有的被编入我国的大型“航空发动机设计手册”。研制工作经验特邀在国家教委召开的国防科技委成立大会上做了题为“民口高校承担某些军品型号任务研制可以做到花钱少、技术高、周期短”的经验交流报告。 从介绍情况中，可以看出实验力学在解决国防工程研究中具有的优势和重要作用，文中提出了工作中的几点认识，其目的是拟说明如何才能做好这些工作。

歼击机发动机设计载荷剖面的相似转换法

本文提出了获得歼击机发动机载荷剖面的相似转换法。通过应用飞行力学基本方法，以推力作为转换的核心，可以由一种实测的基准机剖面得到其它类似机型的剖面。本文提出的方法在实际工程中已得到应用。

基于推广疲劳-蠕变等效转换理论的高温条件载荷谱编制方法

针对现有载荷处理方法对高温条件下保载时间内损伤的忽略或考虑不足问题,对疲劳-蠕变转换理论进行了推广,给出普适的转换模型建立流程,以此修正雨流计数中的等值点压缩、小幅值剔除等数据压缩步骤,从而获得了能够量化全工况保载损伤的高温条件载荷谱编制方法。在航空发动机高压涡轮盘上的应用表明:本方法考虑了全工况等值及小幅值载荷贡献的疲劳-蠕变耦合损伤,其相当于纯疲劳循环(传统雨流法)的298.25%,比常规转换方法多236.91%;寿命预测误差为8.35%,较常规转换方法降低了95%,仅为传统雨流法的2.5%,证明了优化的高温条件载荷谱编制方法的应用价值。

钢桥面浇注式+SMA组合结构车辙变形深度预估

为了阐明浇注式沥青混合料室内60℃车辙试验结果与实体工程应用中表现出的高温稳定性不一致的原因,揭示钢桥面浇注式沥青混合料+改性沥青SMA组合结构车辙变形发展规律,采用理论研究与工程应用相结合的方法,以马鞍山长江公路大桥为依托,采用建设期现场铺装用沥青混合料成型试件,进行了40℃、60℃、70℃温度条件下、接地压强为0.5,0.7,1.0 MPa的组合结构车辙试验,建立了车辙深度与温度、接地压强、作用次数之间的函数关系。通过试件模型的有限元分析和混合料抗剪强度计算,提出了不同温度、接地压强条件下的抗剪性能参数,建立了与温度、荷载作用次数、抗剪性能参数相关的车辙深度预估模型。同时,根据实桥温度场、轴载谱,分温度、荷载区间进行了轴载作用次数统计和车辙深度计算,并用实桥车辙对预估模型进行验证。结果表明:车辙深度与荷载作用次数呈对数函数关系,与温度和抗剪性能参数呈幂函数关系,相关性显著;所提出的预估模型计算所得车辙累计深度与现场历年实测结果基本一致,该桥15年设计寿命期末的车辙深度预估值将达到2.354 mm;基于实桥结构、铺装材料、交通、气候条件所建立的预估模型,可实现车辙破坏深度的有效预估,对指导中国钢桥面浇注式沥青铺装设计具有重要作用。