飞机疲劳试验应变测量异常分析研究

张清勇，李宏亮

（中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳实验室，陕西 西安 710065）

飞机结构疲劳试验是目前国内外航空界验证飞机结构疲劳性能，获得结构疲劳裂纹生成和裂纹扩展寿命的主要方法，是确定飞机使用寿命、检修周期、检修方法的重要依据。在试验过程中，尽早发现主要受力构件的疲劳裂纹直接关系到试验件的安全和试验的成败[1-2]。

应变测量和数据采集是获取试验件结构性能状态的关键反馈。全尺寸飞机结构静力试验是通过对试验件施加应力得到的应变数据来分析飞机结构是否达到设计强度。疲劳试验是通过对应变数据分析，估算机体出现裂纹的部位及材料产生疲劳的时间等数据，为飞机使用安全及进场检修提供试验数据参考[3]。因此，应变测量数据的准确性是飞机疲劳试验数据分析的关键前提。影响应变测量准确性的因素较多，若不仔细分析并采取有效措施，就可能带来很大的测量误差。从测量系统的组成来看，它由应变计、导线、测量仪器三部分组成，在分析测量误差时必须分别加以考虑。凡属系统误差，可采用修正或校准的方法消除，凡属随机误差，则需进行估算，然后进行综合得出总的测量误差[4]。

在飞机疲劳试验中，经常会出现一些非试验件自身原因引起的“台阶”现象，通过对其产生的各种因素进行详细分析研究，提出了改变接线方式和缩短调零时间等方法，提高了疲劳试验应变测量的准确度，对于提高我国飞机结构疲劳试验应变测量的技术具有重要意义。

1  异常“台阶”现象描述

在某型飞机疲劳试验中，测控人员在分析疲劳试验全程跟踪测量数据时，发现不同时间段内同一载荷级数下的应变数据存在明显的“台阶”。如图1所示。

全面观察2317009应变点在某日试验中的测量数据，发现在12h中测量数据总趋势发生了比较大的变化，如图2所示。

图1 281载荷级数下点2317009应变试验数据

图2 点2317009某日试验中的全部测量曲线

疲劳试验中，在飞机结构没有出现疲劳损伤情况下，同一载荷级数下应变曲线应维持在一个特定水平，并保持不变。通过对试验件进行检测，未发现结构异常，且加载反馈正常，因此，有理由怀疑应变数据采集出现异常。

2  异常分析

2.1  温漂试验

通常情况下，采集系统温漂是产生“台阶”现象的主要原因，因此，对采集系统进行温漂试验。

试验1：采集系统连接应变片，不加载荷，每隔1min测量一次，连续测量10h，应变点2317009的测量曲线如图3所示。

图3 应变点2317009温漂测量曲线

从图2和图3可以看到，试验过程中数据趋势的变化是温漂造成的，但不能确定是测量设备还是应变片接入电路温漂造成。

试验2：对包括2317009应变点在内的6个机箱共6个放大器连接标准电阻，不加载荷，每隔1min测量一次，连续测量10h，应变点2317009所在通道的测量曲线如图4所示。

图4 点2317009所在通道接标准电阻温漂测量曲线

从图4可以看出，点2317009所在通道接标准电阻后不再出现大的温漂，说明异常不是由测量设备造成的。

对2317009点所在的25号机箱的桥压进行全程监测，曲线如图5所示。

图5 25号机箱桥压全程监测曲线

可以看到，桥压变化不超过3mV，满足测量设备桥压要求[4]，因此桥压不是造成“台阶”的原因。

通过抽取了一些零漂比较大的通道，对其数据进行分析后发现，这些通道的零点值都比较大，25号箱49-64通道零点值见表1。

究其原因，这些应变测点都没有严格按照1/4桥三线制的接线方式接线，而是以两线制从应变片引出较长导线后，再以三线制接线方式接入采集系统。这种接线方式，零点值都会出现较大的偏移。通过分析两线制和三线制机理，可以得出这样的结论，测量数据的台阶是由温漂造成的，温漂又是由两线连接造成的。

表1 25号箱49-64通道的零点值

2.2  两线制和三线制温漂

疲劳试验中，将应变片粘贴至待测试验部段上，若部段在载荷F的作用下发生形变，通过应变片的基底，粘结剂传递给应变计的敏感栅，使敏感栅的电阻发生改变，设应变片电阻为Rg，灵敏系数为k，试验件形变引起的Rg电阻变化量为ΔRg。应变片的电阻变化率与应变ε的关系表达式为：

目前试验中应用的应变电测方法以惠斯特1/4电桥为理论基础，根据应变片计入桥路方式的不同，将应变测量分为两线制和三线制。图6和图7分别是两线制和三线制桥路连接示意图，其中E为激励电压，R2和R3为分压电阻，阻值为R，Rg为应变片电阻，R4为匹配电阻，R4≈Rg。

在图6中，应变片Rg通过两根阻值为Rf的引线接入桥路，当Rg变化ΔR，桥路输出电压为：

在两线制中，引线Rf的接入使仪器测量的应变ε仪不是试验件实际发生的应变ε，试验件发生变形时，ε仪与电阻变化率的关系为：

由公式（1）和（3），得到两线制连接时的应变计算公式：

可以看出，运用两线制进行应变测量时，试验件实际发生的应变ε与引线电阻Rf是相关的线性函数，当引线短时不会有很大问题，但是导线如果变长时，其影响不可以忽略。

图6 两线制连接图

通过三线制接线法改善了此问题点，如图7所示通过3根导线延长至电桥电路，通过此方法接线时，与两线制不同的导线的电阻r1串联至应变片Rg，r2与R2串联，由于被串联到电桥电路的邻边，所以r1和r2、温漂引起的Δr1和Δr2被相互抵消。由于r3在电桥电路的外侧（输出端），所以基本没有影响。

图7 三线制连接图

3  异常解决方法

当前试验的应变片已经连接好，再做改变已不可能，在这种情况下，缩短试验调零的周期，可有效消除温漂的影响。

通过软件设置，使得疲劳试验数据测量每2h自动调零一次，测量数据的“台阶现象”得到了明显的改善，如图8所示。

图8 点2317009两小时调零的测量曲线

可以看到，试验数据的温漂已经有明显的改变，需要注意的是，前两个小时的温漂还是比较大，这是由于仪器在补片后重新供电造成的，所以，建议在仪器断电后重新供电时，调零的时间间隔要更小一些。

4  总结

针对疲劳试验中应变采集系统在实际使用中遇到的“台阶”现象，通过对系统的原理及接线方式的分析，得到产生异常的根本原因，并通过改变接线方式和缩短调零时间等方法，消除了“台阶”故障现象，该方法解决了飞机疲劳试验应变数据异常，提高了试验的准确度。多次实际使用结果表明，后续系统采集得到的数据符合飞机疲劳试验要求，因此，该法能够在型号疲劳试验中广泛应用。