结构强度疲劳试验加速优化技术研究

李宏亮，孟 立

(中国飞机强度研究所第八研究室，陕西 西安 710065)

1 引 言

飞机进行全尺寸疲劳试验是现代飞机结构设计采用疲劳和损伤容限设计的准则及分析评定的考核验证[1]，但是要完成一架飞机的全机疲劳试验往往要耗费很长的时间。

与国内疲劳试验持续时间相比，国外试验持续时间大约为2～3年，这与其试验规划、试验加载方式、试验液压气压设计以及试验控制的优化密不可分。国外疲劳试验大多采用硬式连接的加载方式，这种硬式连接的加载方式具有载荷传递速度快、加载精度高、对损伤检查影响小等特点。国内目前采用硬式连接和软式连接相结合的方式进行加载，用于软式连接的连接绳弹性较大，跟随性弱于硬式连接。

试验液压管路大多为专用硬式管路，仅在连接作动筒端采用软管连接。为减小硬式管路的振动，在管路中间增加了减振器。同时，为减少试验成本，安装了蓄能站/蓄能器以增加流量峰值，采用这些措施的前提是对液压管路流体进行模拟与计算，通过模拟合理地布置液压管路的主管路及支管路。国内全机疲劳试验现场蓄能器安装得较少，在机翼等变形较大区域因流量不足而导致跟随不理想。

在试验控制技术方面，欧美等国在进行全尺寸飞机结构疲劳试验时，采用先进的试验控制设备。由于采用了SmartLOOP、自动步长、端点同步、惯性补偿等技术[2]，试验运行时间大大缩短，从而缩短了疲劳试验的周期。

在长期的疲劳试验运行过程中，加载系统、液压系统等设备性能都会发生变化，引起试验加载点踏步，减慢了试验运行速率。为实现疲劳试验的有效运行，本文结合试验现状，从另外一个角度研究疲劳试验优化问题，通过对试验数据回收，数据处理、统计等对影响试验运行的关键加载点进行循环处理，减少加载点踏步次数，从而提高试验加载效率，提升试验运行速率。

2 优化技术

目前，疲劳试验所使用的控制设备为MTS公司的FlexTest200控制系统，该系统具有较高的控制精度及丰富的控制形式[3]，试验采用动静踏步保证加载精度。通过对试验数据采集并统计试验过程中的踏步次数，对影响试验运行的关键加载点进行分析改进，形成统计数据、分析改进、统计数据循环优化方案。

2.1 优化内容

根据试验特点，在以下几个方面进行优化改进，以提高试验速度：

(1)加载方式：对某些硬式连接加载点，试验运行一段时间后，连接件与执行机构之间出现间隙，双向加载过零点时会出现冲击载荷，从而延迟加载时间。

(2)液压系统：油路铺设不合理、管道较长使油压衰减严重、蓄能器位置不合理等因素也会影响试验加载精度及速率。

(3)控制系统：控制系统是整个疲劳试验的核心，加载点的控制参数调试直接影响作动筒加载速率。目前采用经验法进行调试，改善空间较大。为保证精度，所有加载点都采取踏步机制确保试验同步加载。

2.2 优化策略

全机疲劳试验一般有多种类型的载荷谱块，例如地面任务段、起飞任务段、空中任务段、襟翼下放进场、着陆任务段和着陆滑行等任务段，利用控制系统回收试验数据并对所有主动加载点动静踏步进行标记，各个谱块按相同比例回收相应数据。从每个谱块中统计出踏步最多的10个加载点，再从所有谱块中统计出踏步最多的10个加载点，随后对踏步较多的加载点进行优化处理[4]，以此循环机制对疲劳试验进行优化改进，优化流程图如图1所示。

图1 优化流程图

2.3 具体方法

全机疲劳试验加载谱块较多，统计在一个完整周期中飞行谱种类J、各种疲劳谱出现的次数Pi及所占比例Ki。设疲劳试验运行总谱块为N，需收集总谱块为h，则某谱块i需收集统计的谱块Xi：

(1)

统计完成一次任意一个疲劳谱所需的时间ti及完成一个完整周期所需的时间tn，加速处理后进行对比。

每个谱块中整理出踏步最多的10个点，则某谱块i需收集统计的踏步加载点数为：

(2)

则所有谱块中需收集的总踏步点数为G为：

(3)

在G个加载点中再进行排序，统计出踏步最多的10个加载点，随后对10个加载点进行分析处理。改进方案完成后再次运行试验，每个疲劳飞行谱运行时间tx，判定是否ti≥tx，若成立，则试验加速改进方案有效；若不成立，则疲劳加速改进方案无效。根据方案流程对试验进行循环加速改进。

3 验证与应用

以某型全机疲劳试验为例,飞机的设计寿命为50000起落(50000飞行小时)，全机疲劳试验要完成2倍设计服役目标寿命。全机疲劳试验载荷谱谱块按照1/10设计服役目标寿命确定，即选用5000次飞行形成一个循环谱块，整个寿命期由该谱块重复10次进行模拟。

试验载荷谱由3类载荷谱构成：定态载荷谱、等幅循环载荷谱和随机载荷谱。根据飞行载荷强弱不同，定义5种不同的飞行类型，分别为A、B、C、D、E。每类飞行按照各任务段同等级严重程度的随机谱与定态载荷谱、等幅循环谱组合构成一个完整起落的试验载荷谱。5000谱块，A谱1个，B谱13个，C谱255个，D谱1276，E谱3455个，谱块较多的为D谱和E谱，根据统计方法计算出各谱块需统计个数，如表1所示。

表1 各谱块统计

根据上述实施方案，利用控制设备数据回收及显示功能统计各个疲劳试验运行时各谱块动/静踏步次数及对应加载点，整理后的结果如表2所示。

表2 各谱块踏步次数及对应点号统计

由表2得出，需处理的加载点号为7#、19#、21#、23#、25#、26#、27#、46#、47#、98#。通过对控制参数、液压系统、加载机构等逐一排查，发现影响加载点跟随性的因素较多，经过分析与处理后效果有明显提升。具体处理方法如下：

(1)19#、23#，左机翼上的硬式连接，通过拉压垫连接，在小载荷时经常保持试验，连接处有间隙，载荷不稳定，将作动筒和杠杆连接的螺栓拧紧。

(2)25#、27#，翼尖变形较大，阀流量不够、载荷较大时跟随性较慢，单点调试时无法发现，更换伺服阀。

(3)26#，伺服阀性能较差，反应较慢，导致跟随缓慢，更换伺服阀。

(4)21#，左机翼上的加载点，小载荷时跟随性不理想，发现液压流量小，更换掉原来的细油管，跟随性较之前有较大提升。

(5)46#，作动筒内泄，载荷较大时欠载，导致踏步，更换作动筒。

(6)7#、47#、98#，跟随性差，单点调试时载荷较小，试验中载荷较大，参数不匹配，重新精调。

部分加载点经处理后前后对比如图2～图5所示。

图2 19#加载点处理前命令-反馈跟随性

图3 19#加载点处理后命令-反馈跟随性

图4 23#加载点处理前命令-反馈跟随性

图5 23#加载点处理后命令-反馈跟随性

对踏步较多的加载点集中处理后，将处理前与处理后的试验运行时间进行对比，结果如表3所示。从表中可以看出，在实施加速优化后，每个大循环中谱块较多的C谱、D谱、E谱运行时间较之前都有明显缩短，该疲劳试验加速方法有效。

表3 各谱块运行时间对比

4 结 论

本文通过对全机疲劳试验控制数据的整理与分析，采用对试验影响较大的加载点在控制系统、液压系统、加载系统等相关加载机构中集中进行处理改善的方法对试验进行加速，并通过对比优化前后试验运行时间来验证处理是否得当，是否起到加速作用。实践表明，该方法具有一定的加速效果，可应用于全机疲劳试验中。