疲劳试验中应变测量数据温漂的消除方法

雷道红，郭晓冬

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

全机疲劳试验是在实验室中，对飞机结构按照“飞-续-飞”循环施加飞机在飞行使用过程中的载荷历程，验证飞机结构的使用寿命，暴露结构的疲劳薄弱部位，验证疲劳分析方法，确定裂纹扩展特性，为制定检查维修大纲提供试验依据[1,2]。飞机结构疲劳试验是飞机研制过程中的一项重要环节，试验周期长、应变片采集数据量大，特别是近年来采用全程跟踪测量，测量时间短则几个月，长则几年甚至十几年。疲劳试验过成中需对相同载荷状态在不同时段测量的应变数据进行重复性分析[3]，以便掌握试验件的状态，及时发现损伤。由于测量延续的时间长，数据量巨大，零点漂移对数据的影响不能忽视[4]。

零点漂移是指当放大电路输入信号为0时，由于受温度波动、电源电压波动等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而出现上下漂动的现象[5]。应变测量消除温漂的方法有多种，如采用不同的桥路、设置补偿应变片等[6,7]。本文通过对载荷谱进行分析，将第一谱块第1个载荷状态作为基准，以后每个谱块的第一个载荷状态均与该基准做差，其他谱块应变数据减去这个差，提取试验载荷谱特征信息，同时建立应变和温度之间的对应关系，对应变进行温度补偿，来消除温漂，并在某大型民机试验中对本文提出的方法进行验证和应用。

2 载荷谱特征提取方法

消除温漂的方法包括两个方面，一是从工程方面对疲劳载荷谱进行分析，提取载荷谱特征，基于载荷谱对应变数据进行处理；二是建立应变和温度之间的关系，并引入载荷谱特征信息，对应变进行温度补偿，消除疲劳应变数据温漂。总体思路如图1所示。

图1 温漂的消除方法总体思路

在全机疲劳试验中，载荷谱共包含N个疲劳载荷状态，组合成A1、A2、A3、A、B、C、D、E等共计M种不同飞行类型。将M种飞行类型编制成不同谱块，每个谱块包含L次飞行。通过对载荷谱进行分析，各种飞行类型中第1个载荷状态均相同，且载荷值较小。将该载荷状态作为基准，其他谱块的第1个载荷状态引用第一谱块的第1个载荷状态作为基准，以后每个谱块第1个载荷状态均与该基准做差，其他数据减去这个差，进行应变数据处理及载荷谱信息提取，具体如图2所示。其中，PRF为载荷谱块，LC为载荷状态，CYC为飞行循环数，ROW为载荷行号。

图2 疲劳试验载荷谱特征信息提取方法

3 应变-温度映射关系研究

试验应变-温度映射关系研究主要是建立应变和温度之间的关系。在确定应变和温度间的关系时，推导回归函数，根据实测的温度和应变值进行估算。

3.1 回归模型

对某型飞机全机疲劳试验的温度和应变数据进行分析，应变随温度的变化而变化。以疲劳试验中的实测数据为依据进行回归分析，表1为12h所得温度和应变的实测值。

表1 疲劳试验温度和应变匹配表

由表1可知，试验应变和温度之间大致成线性关系，由此推导应变与温度之间的关系，形成线性回归模型。此处将温度作为控制量，回归函数可写成：

y=g(x)=α0+α1x

(1)

线性回归模型为：

(2)

式中，α0，α1为回归系数；ε为随机误差，服从正态分布。

3.2 参数估计

将温度、应变数据代入上式，确定参数，使得残差尽可能小：

(3)

式中：

(4)

对式(3)利用最小二乘法可得：

(5)

式中：

(6)

由表1中数据确定线性回归函数中的各参数值，在后续试验验证中利用确定的参数进行分析和计算。

4 试验验证

某型号疲劳试验，在飞机扣重状态调零，当日共测量27592次，温漂消除前7735022号应变-历程曲线见图3、图4。可以看出，应变数据存在温漂，12h约为50～60με。

图3 温漂消除前载荷状态a应变-历程曲线

图4 温漂消除前载荷状态b应变-历程曲线

利用本文方法对上述数据进行载荷谱信息提取和温度补偿，消除温漂后的应变-历程曲线见图5、图6，可以看出，温漂消除后，数据重复性变好。

图5 温漂消除后载荷状态a应变-历程曲线

图6 温漂消除后载荷状态b应变-历程曲线

5 结 论

本文提出的基于数据处理的方法，在不改变现有测量设备的情况下消除温漂，在某型飞机的疲劳试验中进行运用，通过与传统数据进行对比，证明此方法真实可行。目前，该技术已经在多个型号试验的舵面功能检查试验中得到了应用。