飞行器主起落架加载装置、载荷实时监测方法及装置

1.本发明涉及飞行器结构健康监测领域，具体涉及一种飞行器主起落架加载装置、载荷实时监测方法及装置。


背景技术：

2.飞行器在长时间的服役过程中，不断重复着起飞-飞行-降落这一过程，飞行器的结构将承受各种各样反复作用的疲劳载荷。在这些外部循环载荷作用下，飞行器结构内部的应力也将是周期性变化的“循环应力”。在服役环境下，飞行器结构容易出现疲劳破坏，造成灾难性事故。因此，对飞行器关键结构载荷进行实时监测，从而降低飞行器事故发生的可能性是很有必要的。
3.目前主要有利用应变片组桥测量飞行器应变，从而得到载荷-应变系数来对飞行器飞行载荷进行监测，该方法中的应变片存在较大的局限性，其易受电磁干扰、受环境因素影响较大，如在飞行器上大量使用，则会增加不小的重量，增加线路的复杂性，从而增大了安全隐患，故应变片不适宜对飞行器进行长时间的载荷监测；还有利用机器学习的方法寻找飞行参数与载荷之间的关系，这种方法需要以大量的训练数据为支撑，使用成本较高，难以实现真正的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种飞行器主起落架加载装置、载荷实时监测方法及装置，方法简单，能实现对飞行器关键结构载荷精确监测。
5.为实现上述目的，本发明一方面提供了一种飞行器主起落架加载装置，包括主体框架、主起组件、侧向加载组件、垂向加载组件；所述主起组件、侧向加载组件、垂向加载组件组装于所述主体框架上，构成所述飞行器主起落架加载装置整体结构；
6.所述主起组件包括：
7.主支柱，
8.下摇臂，与所述主支柱使用铰接结构进行连接，并与所述主支柱之间呈钝角连接；沿所述下摇臂的轴向布贴有若干个传感器带，用于检测所述下摇臂的应变信息；
9.假轮，采用“十”字形结构，通过连接结构以及阶梯柱状结构与所述下摇臂连接。
10.可选的，沿所述下摇臂的轴向布贴有若1、2、3个传感器带，优选2个传感器带。
11.可选的，每个所述传感器带中的多个传感器沿所述下摇臂的周向均匀分布，相邻两个传感器带中传感器的位置交错设置。
12.可选的，每个传感器带包括2-8个传感器，优选4个传感器。
13.可选的，当采用一个所述传感器带时，所述传感器带至少布置有4个传感器，最多布置有8个传感器，优选布置有6个传感器；
14.当采用两个或三个传感器带时，每个传感器带至少布置有至少2个传感器，最多布置有6个传感器，优选布置有4个传感器。
15.可选的，沿所述下摇臂的轴向布贴有两个传感器带，每个传感器带布置有4个传感器，沿所述下摇臂的周向均匀分布，其中第一个传感器位于截面正上方，其它三个传感器相对第一个传感器分别旋转90
°
、180
°
、270
°
布贴。
16.可选的，所述传感器采用光纤布拉格光栅传感器。
17.可选的，所述下摇臂与主支柱之间安装着缓冲支柱；
18.所述下摇臂采用空心圆柱结构，在空心圆柱的两端设置有圆盘，所述圆盘上开设有通孔，用来连接所述假轮以及所述主支柱。
19.可选的，所述侧向加载组件包括：
20.短螺杆，所述短螺杆左侧与所述假轮连接，右侧通过力的传感器连接第一长螺杆；
21.第一长螺杆，穿过第一夹具；
22.第一夹具，上端通过连接在固定横轴上的螺杆进行固定，下端连接至移动横轴上；
23.移动横轴，所述移动横轴上安装有第一边柱，用于限制所述移动横轴沿竖轴上下移动高度；
24.所述第一边柱与所述第一夹具接触，从两侧方向对所述第一夹具进行限制。
25.可选的，所述第一夹具包括滑块以及消扭结构，所述消扭结构与所述第一长螺杆配合连接，使所述第一长螺杆只沿轴向移动；
26.所述滑块安装在所述移动横轴上，沿所述移动横轴左右移动，所述滑块中间开设有通孔对准所述假轮的螺纹孔。
27.可选的，所述垂向加载组件包括：
28.第二长螺杆，
29.第二夹具，安装于第二边柱上，所述第二夹具中间设置有矩形孔；
30.所述第二长螺杆穿入所述第二夹具的矩形孔中起到消扭的作用；
31.稳定结构，与所述第二边柱两侧连接，用于稳定所述第二边柱；
32.盖板，安装于所述第二夹具上方，覆盖于所述第二夹具上。
33.本发明另一方面还提供一种模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，采用上述的飞行器主起落架加载装置；所述方法包括以下步骤：
34.模拟所述飞行器主起落架加载装置；
35.利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定；和
36.依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。
37.可选的，所述利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定，包括：
38.对垂向载荷进行标定，将垂向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出垂向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数；
39.对航向载荷进行标定，将航向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出航向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数；
40.对侧向载荷进行标定，将侧向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出侧向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数；
41.采用航向、侧向、或者垂向方式加载之一的单向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数，表示为：
[0042][0043]
式中：p
x1
～p
xn
为单向加载的第1级加载到第n级加载的载荷值；a1每个传感器的正应变-载荷标定系数；ε1～εn为第1个传感器第1级加载到第n级加载对应的应变值。
[0044]
可选的，依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷，包括：
[0045]
依据航向、侧向、或者垂向单向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数，构造多元线性回归方程为：
[0046][0047]
式中：ε1～εn为某时刻n个传感器的应变值；a1～an为n个传感器航向系数；b1～bn为n个传感器侧向系数；c1～cn为n个传感器垂向系数；p
x
、py、pz为某时刻的航向、侧向、垂向的载荷值；
[0048]
计算飞行器主起落架所受载荷，包括航向载荷、侧向载荷及垂向载荷。
[0049]
本发明另一方面还提供一种模拟飞行器结构的载荷实时监测装置，采用上述的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，包括：
[0050]
模拟模块，用于模拟所述飞行器主起落架加载装置；
[0051]
标定模块，用于利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定；和
[0052]
载荷计算模块，用于依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。
[0053]
本发明具有如下优点：
[0054]
本发明提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，通过模拟所述飞行器主起落架加载装置，然后利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定，依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。该方法通过在实验室搭建了飞行器主起落架加载装置结构，以较低的成本对飞行器主起落架的载荷监测方法进行研究；此外，在飞行器主起落架加载装置上布贴光纤光栅传感器，用来测量模拟起落架结构应变，光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等特性，相较于其他的传感器，更加符合在飞行器上进行应用；依据标定的航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，构建多元线性回归的模型，计算飞行器主起落架所受载荷，方法简单，可以较为精确的对飞行器关键结构载荷精确监测，以实时监测飞行器结构健康。
附图说明
[0055]
图1是实施例一中的主起落架加载装置的主起组件结构图；
[0056]
图2是实施例一中的主起落架加载装置的侧向加载组件结构图；
[0057]
图3是实施例一中的主起落架加载装置的垂向加载组件结构图；
[0058]
图4是实施例一中的主起落架加载装置总体结构图；
[0059]
图5是实施例一中的下摇臂上布贴的传感器其位置分布；
[0060]
图6是实施例二提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法流程示意图；
[0061]
图7是实施例三提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测装置结构示意图；
[0062]
其中：
[0063]
1-主起组件；
[0064]
11-主支柱；
[0065]
12-下摇臂；
[0066]
121-圆盘；
[0067]
122-下摇臂横截面；
[0068]
13-假轮；
[0069]
14-铰接结构；
[0070]
15-l型固定结构；
[0071]
16-连接结构；
[0072]
17-阶梯柱状结构；
[0073]
18-传感器带；
[0074]
19-限制结构
[0075]
2-侧向加载组件；
[0076]
21-短螺杆；
[0077]
22-第一长螺杆；
[0078]
23-第一夹具；
[0079]
231-滑块；
[0080]
232-消扭结构；
[0081]
24-移动横轴；
[0082]
25-力的传感器；
[0083]
26-固定横轴；
[0084]
27-第一边柱；
[0085]
28-竖轴；
[0086]
3-垂向加载组件；
[0087]
31-第二长螺杆；
[0088]
32-第二夹具；
[0089]
33-稳定结构；
[0090]
34-盖板；
[0091]
35-第二边柱；
[0092]
4-主体框架。
具体实施方式
[0093]
下面将结合具体实施方案对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领
域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方案，都属于本发明保护的范围。
[0094]
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用来限制本发明的保护范围。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换，所有这些修改和替换都落入了本发明权利要求书请求保护的范围内。
[0095]
实施例1
[0096]
本实施例一提供了一种飞行器主起落架加载装置，作为构建的模拟飞行器结构进行载荷监测。具体参考图1-图5中所示，其中图1示出了主起落架加载装置的主起组件结构图；图2示出了主起落架加载装置的侧向加载组件结构图；图3示出了主起落架加载装置的垂向加载组件结构图；图4示出了主起落架加载装置总体结构图；图5示出了下摇臂上布贴的传感器其位置分布。
[0097]
一种飞行器主起落架加载装置，包括主起组件1、侧向加载组件2、垂向加载组件3、主体框架4；所述主起组件1、侧向加载组件2、垂向加载组件3组装于所述主体框架4上构成所述飞行器主起落架加载装置整体结构。
[0098]
对于主起组件1结构，如图1中所示，所述主起组件1具体包括主支柱11、下摇臂12、假轮13，其中下摇臂12与所述主支柱11使用铰接结构14进行连接，并与所述主支柱11之间呈钝角连接。此外，限制结构19安装在主支柱11上，用于限制下摇臂12在垂向加载时的转动。此外，l型固定结构15安装在主支柱11上与限制结构19对称的位置，用于对主支柱11起到固定的作用。此外，所述下摇臂12采用空心圆柱结构，在空心圆柱的两端设置有圆盘121，所述圆盘上开设有通孔，用来连接所述假轮13以及所述主支柱11。假轮13采用“十”字形结构，通过连接结构16以及阶梯柱状结构17与所述下摇臂12连接，采用“十”字形结构可以模拟主起落架航向、侧向及垂向载荷以及减轻假轮重量。
[0099]
由于在下摇臂12与主支柱11之间安装着缓冲支柱，载荷经过缓冲支柱15的缓冲到达主支柱11结构后，会被极大地消减，所以，下摇臂12为主起落架结构中最能直接反映其载荷的位置，沿所述下摇臂12的轴向布贴有若干个传感器带18，用于检测所述下摇臂的应变信息。具体的，基于光纤布拉格光栅(fbg)传感器的优良特性，例如抗电磁干扰、质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀等，本实施例中采用光纤布拉格光栅传感器组成传感器带布贴到下摇臂12上，每个传感器带中的多个传感器沿下摇臂12的周向均匀分布，相邻两个传感器带中传感器的位置交错设置。每个传感器带包括2-8个传感器，优选4个。当采用一个传感器带时，传感器带至少布置有4个传感器，最多布置有8个传感器，优选布置有6个传感器；当采用两个或三个传感器带时，每个传感器带至少布置有至少2个传感器，最多布置有6个传感器，优选布置有4个传感器。本实施例中，沿所述下摇臂12的轴向布贴有两个传感器带，每个传感器带布置有4个传感器，沿所述下摇臂的周向均匀分布，其中第一个传感器位于截面正上方，其它三个传感器相对第一个传感器分别旋转90
°
、180
°
、270
°
布贴，相邻两个传感器带中传感器的位置交错设置，如图5中所示。当使用一个传感器带时，4个传感器采集的信息较少，在一些工况会出现较大的误差，8个传感器可能出现传感器之间数据相互关联，造成浪费。因此优选6个传感器，但一个传感器带所包含的信息有限，同样可能产生较大误差；当使
用三个传感器带时，传感器数量较多，在对载荷进行反推时，会出现多余的传感器，从而造成传感器的浪费，并容易引入干扰项，对结果产生影响。综上，本实例优选两个传感器带，每个传感器带4个传感器进行布贴。
[0100]
对于侧向加载组件2结构，如图2中所示，侧向加载组件2具体包括短螺杆21、第一长螺杆22、第一夹具23、移动横轴24，其中短螺杆21左侧与所述假轮13连接，右侧通过力的传感器25连接第一长螺杆22；第一长螺杆22穿过第一夹具23；第一夹具23上端通过螺杆连接至固定横轴26上，下端连接至移动横轴24上。此外，所述第一夹具23包括滑块231以及消扭结构232，所述消扭结构232与所述第一长螺杆22配合连接，消除拧动螺母时产生的扭矩，使所述第一长螺杆22只沿轴向移动；所述滑块232安装在所述移动横轴24上，沿所述移动横轴24左右移动，该移动横轴24可沿竖轴上下移动一定距离，使夹具可在该平面中间的一矩形范围内任意移动，这样设计可以使滑块231中间开设的通孔对准所述假轮13的螺纹孔；此外，主支柱11与下摇臂12之间为铰接结构14，故下摇臂12可以随铰接结构14转动一定弧度，从而使假轮13跟随转动，故需要使得第一夹具23也可跟随假轮13的螺纹孔进行移动。
[0101]
此外，所述移动横轴24安装上有第一边柱27，用于限制所述移动横轴24沿竖轴28上下移动高度；所述第一边柱27与所述第一夹具23接触，从两侧方向对所述第一夹具23进行限制。对于第一夹具23的固定，需要第一边柱27从两侧对第一夹具23进行限制，以及穿过固定横轴26的螺栓从上方进行限制，并在滑块232的下方通孔中安装螺栓螺母进行固定。对于移动横轴24的固定以及高度的变化，由安装在其上的第一边柱27决定，第一边柱27上方是带有螺纹的螺杆，首先将螺杆拧进固定横轴26，然后再将其安装固定在移动横轴24上，然后通过拧动第一边柱27上的螺母即可对移动横轴24的高度进行固定及调动。
[0102]
对于垂向加载组件3结构，如图3中所示，垂向加载原理同侧向加载类似，垂向加载组件3具体包括第二长螺杆31、第二夹具32、稳定结构33、盖板34等，其中第二夹具32安装于第二边柱35上，所述第二夹具32中间设置有矩形孔，所述第二长螺杆31穿入所述第二夹具32的矩形孔中起到消扭的作用；稳定结构33与所述第二边柱35两侧连接，用于稳定所述第二边柱35；盖板34安装于所述第二夹具32上方，覆盖于所述第二夹具32上，防止圆柱形螺母对第二夹具32中央的矩形孔产生破坏。
[0103]
将上述图1示出的主起落架加载装置的主起组件结构、图2示出的主起落架加载装置的侧向加载组件结构、以及图3示出的主起落架加载装置的垂向加载组件结构，组装于所述主体框架4上构成所述飞行器主起落架加载装置整体结构，如图4中所示。
[0104]
实施例2
[0105]
根据上述的实施例一中提供的飞行器主起落架加载装置结构，本发明实施例二还提供了模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，用于模拟飞行器结构，具体采用上述实施例一中的飞行器主起落架加载装置结构。参考图6所示，图6示出了本实施例二提供的一种模拟飞行器结构的载荷实时监测方法的流程示意图。
[0106]
一种模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，采用上述实施例一的飞行器主起落架加载装置；
[0107]
s1、模拟所述飞行器主起落架加载装置。
[0108]
具体的，可以分别通过solidworks等软件设计主起落架加载装置的主起组件、侧向加载组件、垂向加载组件、主体框架的结构，并在下摇臂上布贴光纤光栅传感器。
[0109]
s2、利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定。
[0110]
在对所述飞行器主起落架加载装置构建完成并完成实体搭建后，利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定，包括：
[0111]
对垂向载荷进行标定，将垂向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出垂向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数；
[0112]
对航向载荷进行标定，将航向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出航向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数；
[0113]
对侧向载荷进行标定，将侧向加载的最大载荷分为10级进行加载卸载，计算出侧向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数。
[0114]
具体的，采用航向、侧向、或者垂向方式加载之一的单向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数，表示为：
[0115][0116]
式中：p
x1
～p
xn
为单向加载的第1级加载到第n级加载的载荷值；a1每个传感器的正应变-载荷标定系数；ε1～εn为第1个传感器第1级加载到第n级加载对应的应变值。
[0117]
s3、依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。
[0118]
具体为，依据航向、侧向、或者垂向单向加载的每个传感器的正应变-载荷标定系数，构造多元线性回归方程为：
[0119][0120]
式中：ε1～εn为某时刻n个传感器的应变值；a1～an为n个传感器航向系数；b1～bn为n个传感器侧向系数；c1～cn为n个传感器垂向系数；p
x
、py、pz为某时刻的航向、侧向、垂向的载荷值；
[0121]
计算飞行器主起落架所受载荷，包括航向载荷p
x
、侧向载荷py及垂向载荷pz。
[0122]
综上，本实施例提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，通过模拟所述飞行器主起落架加载装置，然后利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定，依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。该方法通过在实验室搭建了飞行器主起落架加载装置结构，以较低的成本对飞行器主起落架的载荷监测方法进行研究；此外，在飞行器主起落架加载装置上布贴光纤光栅传感器，用来测量模拟起落架结构应变，光纤光栅传感器具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等特性，相较于其他的传感器，更加符合在飞行器上进行应用；依据标定的航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，构建多元线性回归的模型，计算飞行器主起落架所受载荷，该方法简单，可以较为精确的对飞行器关键结构载荷精确监测，以实时监测飞行器结构健康。
[0123]
实施例3
[0124]
根据上述的实施例二中提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，本实施例还提供了一种模拟飞行器结构的载荷实时监测装置，如图7中所示，图7示出了本实施例三提供的一种模拟飞行器结构的载荷实时监测装置的结构示意图。
[0125]
一种模拟飞行器结构的载荷实时监测装置500，采用上述的模拟飞行器结构的载荷实时监测方法，包括：
[0126]
模拟模块501，用于模拟所述飞行器主起落架加载装置；
[0127]
标定模块502，用于利用传感器检测的应变数据分别对航向载荷、侧向载荷及垂向载荷进行标定；
[0128]
载荷计算模块503，用于依据标定的所述航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，计算飞行器主起落架所受载荷。
[0129]
综上，本实施例提供的模拟飞行器结构的载荷实时监测装置，依据标定的航向载荷、侧向载荷及垂向载荷，构建多元线性回归的模型，计算飞行器主起落架所受载荷，该方法简单，可以较为精确的对飞行器关键结构载荷精确监测，以实时监测飞行器结构健康。
[0130]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。