一种飞机战伤结构强度评估方法

本发明涉及飞机战伤抢修，具体的为一种飞机战伤结构强度评估方法。

背景技术：

1、在现代战争中，军用飞机的战伤不可避免。飞机结构作为军用飞机的承载平台，结构在受到战伤后，由于战伤部位的破损，将致使承载能力下降。如果战伤后的飞机继续执行后续飞行任务，必须对结构的战伤影响进行评估，并给出相应的评估结论。例如，多大范围的战伤无需修理，对飞机的正常使用没有影响；多大范围的战伤可以不修理，但飞机必须要限制使用，并给出限制载荷的大小；多大范围的战伤可以通过外场的抢修使强度恢复到满足最大载荷状态飞行的能力，修理后对飞机的正常使用没有影响；多大范围的战伤通过外场的抢修可以使强度局部恢复，但抢修后的飞机必须要限制使用，并给出限制载荷的大小。

2、目前，国内尚没有针对飞机战伤结构开展的强度问题研究。经过检索，在飞机结构强度领域，最为接近的技术是针对正常服役的飞机结构的损伤容限分析方法。根据《军用飞机损伤容限要求》规定，损伤容限分析流程主要步骤包括：第一步，确定分析采用的损伤容限结构类型；第二步，建立裂纹扩展的基本模型及相应参数；第三步，计算并绘制裂纹扩展曲线；第四步，计算并绘制剩余强度变化曲线；第五步，按剩余强度要求确定飞行时间；第六步，确定至可检裂纹尺寸的飞行时间；第七步，确定不修使用期；第八步，比较未修使用期和最短不修使用期，确定是否满足要求；第九步，损伤容限诸要求与控制计划大纲的一致性检查。其中，在第三步中，需采用初始裂纹假设作为裂纹扩展曲线的起点，画出两倍使用寿命的裂纹长度-寿命曲线，如图1所示。在第四步中，需用剩余强度的计算方法，绘制出结构剩余强度随裂纹长度变化的规律曲线，如图2所示。在第五步中，根据损伤容限要求的结构剩余强度值，即σ值，从图2中得到临界裂纹尺寸，再根据临界裂纹尺寸从图1中得到对应的结构寿命nc，即可飞行的时间。

3、已有的结构损伤容限分析方法面向的是正常服役的飞机结构，通过裂纹扩展曲线描述飞行时间与裂纹长度的关系，通过剩余强度变化曲线描述结构剩余强度与裂纹长度的关系，进而根据损伤容限要求的σ值确定临界裂纹长度和结构寿命。然而，已有的结构损伤容限分析方法无法进行战伤结构的强度评估，主要原因如下：

4、(1)分析目的不同；已有的结构损伤容限主要分析的是裂纹长度随着飞行时间的增长的变化关系，评估结构剩余寿命、确定检查间隔期等，而针对战伤结构主要是针对当前已有的确定的战伤尺寸，评估飞机下一次执行任务的能力，支撑战伤决策；

5、(2)结构状态不同；损伤容限的分析对象为裂纹损伤，而战伤结构的损伤并不一定是裂纹损伤，还有破孔损伤、混合损伤等；且如果战伤结构带有裂纹损伤，在下次使用前，裂纹尖端一般会打止裂孔处理；可见战伤结构的损伤不同于单纯的裂纹损伤；

6、(3)分析内容不同；针对战伤结构的评估决策因素多，要考虑结构修不修的问题、结构的限制使用情况、修理后的限制使用情况等，已有的结构损伤容限分析无法解决这些问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题包括：

2、(1)界定清楚不同战伤极限尺寸之间的关系，并与战伤评估逻辑决断流程相结合，以不同的战伤极限尺寸作为战伤评估逻辑决断的关键判断点，从而支撑战伤评估决策；

3、(2)界定清楚战伤结构修理方案与结构强度的关系，实现不同修理方案(修理、不修理、不同修理方法等)的结构强度对比，从而支撑修理方案的优选；

4、(3)界定清楚不同战伤尺寸下结构破坏载荷、极限载荷、限制载荷的关系，评估战伤结构或修理后结构的限制载荷，为飞机的放飞决策提供支撑。

5、本发明通过以下技术方案来实现：

6、一种飞机战伤结构强度评估方法，包括以下步骤：

7、步骤1：确定战伤结构基本情况；

8、所述战伤结构基本情况包括结构情况、战伤情况、受载情况；所述结构情况包括结构的尺寸、形式、材料；所述战伤情况包括战伤的类型、部位；所述受载情况包括结构的受载类型；

9、步骤2：确定战伤结构的限制载荷p0，转场载荷p，极限载荷kp0，破坏载荷np0；其中，k为不确定系数，n为强度裕量系数；并根据战时应急情况对不确定系数k进行缩减，获得缩减后不确定系数k′；

10、所述限制载荷是指飞机结构在使用历程中的最大载荷；所述极限载荷是限制载荷乘以不确定系数得到；所述破坏载荷是指飞机结构发生破坏时所能承受的最大载荷，即实际承载能力；所述转场载荷是指飞机在转场飞行任务中可能遇到的最大载荷；

11、进一步的，所述步骤2中根据如下三种情况确定战伤结构的限制载荷p0，转场载荷p，极限载荷kp0，破坏载荷np0：

12、情况1是有试验实测数据的情况，此时，限制载荷p0取设计使用载荷，极限载荷kp0和破坏载荷np0由全机静力试验测得，转场载荷p由飞行试验测得；

13、情况2是有设计数据但无试验实测数据的情况，此时，令极限载荷kp0和破坏载荷np0相等，k＝n，限制载荷p0和转场载荷p根据设计时明确的限制载荷和转场载荷直接确定，极限载荷kp0和破坏载荷np0根据设计时明确的不确定系数k取值确定；

14、情况3是既没有设计数据，也没有试验实测数据，此时，令极限载荷kp0和破坏载荷np0相等，且k＝n＝1.5，所述极限载荷和破坏载荷通过静强度分析确定；所述限制载荷p0和转场载荷p根据以下等式确定

15、

16、

17、其中，ny-转场为转场最大过载，nymax为飞机最大可承受过载；

18、进一步的，所述步骤2中根据战时应急情况对不确定系数k进行缩减具体为：

19、如果能获得结构材料的抗拉强度σb和结构材料的弹性极限σp，在如下范围内对不确定系数k进行缩减，缩减后不确定系数为k′：

20、

21、如果不能获得结构材料的弹性极限σp，则利用结构材料的抗拉强度σb和结构材料的屈服强度σs，在如下范围内对不确定系数k进行缩减：

22、

23、步骤3：获取战伤结构强度曲线；

24、针对同一战伤类型下的同一结构，通过结构强度试验或者是理论数值计算方式获取其结构破坏载荷随战伤尺寸的变化关系曲线，即为该结构在对应战伤类型下的战伤结构强度曲线；

25、步骤4：获取修理后结构强度曲线；

26、确定修理方式，并针对同一战伤类型下的同一结构，通过结构强度试验或者经验估算方式获取其在该修理方式下修理后的结构破坏载荷随战伤尺寸的变化关系曲线，即为该结构在对应战伤类型下的修理后战伤结构强度曲线；

27、步骤5：根据步骤2确定的各类载荷和不确定系数、步骤3获得的战伤结构强度曲线、步骤4获得的修理后结构强度曲线，获取战伤极限尺寸d1～d4，绘制战伤结构强度分析图；

28、进一步的，所述步骤5包含如下子步骤：

29、步骤51：分别将步骤2确定的转场载荷p、限制载荷p0、极限载荷kp0和断裂载荷np0在纵轴上进行标注；

30、步骤52：分别将步骤3获取的战伤结构强度曲线和步骤4获取的修理后结构强度曲线绘制在坐标系中；

31、步骤53：绘制战伤结构强度限制线；

32、首先，将战伤结构强度曲线上的每一点除以不确定系数k’，得到初始的战伤结构强度限制线；然后，基于初始的战伤结构强度限制线，将高于限制载荷p0的部分取为p0，将低于转场载荷p的部分截除，即得到最终的战伤结构强度限制线；

33、步骤54：绘制修理后结构强度限制线；

34、首先，将修理后结构强度曲线上的每一点除以不确定系数k’，得到初始的修理后结构强度限制线；然后，基于初始的修理后结构强度限制线，将高于限制载荷p0的部分取为p0，将低于转场载荷p的部分截除，即得到最终的修理后结构强度限制线；

35、步骤55：针对战伤结构强度限制线的最高点，即纵坐标为极限载荷p0的点，将其横坐标定义为d1，并在横轴上标注；针对战伤结构强度限制线的最低点，即纵坐标为转场载荷p的点(当最低点纵坐标高于转场载荷p，则选最低点，即损伤尺寸最大点)，将其横坐标定义为d2，并在横轴上标注；针对修理后结构强度限制线上的最高点，即纵坐标为极限载荷p0的点，将其横坐标定义为d3，并在横轴上标注；针对修理后结构强度限制线的最低点，即纵坐标为转场载荷p的点(当最低点纵坐标高于转场载荷p，则选最低点，即可修损伤尺寸最大点)，将其横坐标定义为d4，并在横轴上标注；最终获得战伤结构强度分析图；

36、步骤6：建立战伤评估逻辑决断流程；

37、获取战伤极限尺寸d5，根据步骤5获得的战伤结构强度分析图和设定的飞机损伤容限要求，以战伤极限尺寸d1～d5作为关键决策点，建立的战伤评估逻辑决断流程；所述逻辑决断流程涵盖战伤评估的主要决策问题；所述设定的飞机损伤容限要求根据《军用飞机损伤容限要求》标准选取；

38、所述战伤极限尺寸d5获取方法如下：若某一结构完全损伤也不影响飞机在大修厂的修理价值，则d5取结构的最大可能损伤尺寸；若某一结构的最大可能损伤尺寸在外场也可修，则d5＝d4；

39、根据《军用飞机损伤容限要求》中规定，在外场可处理的结构损伤分为a、b、c三个等级，其中，a等损伤为降低使用能力损伤，是不进行修理但要规定使用限制条件的损伤；b等损伤为可修损伤，可在规定时限内完成修理，使飞机具备至少能再飞一次的能力；c等损伤是可接受损伤，损伤不修理时，对飞机使用不作任何限制的损伤，但可对损伤作简单的处理，如钻止裂孔、采取降低应力的临时措施等。

40、根据步骤5获得的战伤结构强度分析图，d1对应c等损伤的极限尺寸，d2对应a等损伤的极限尺寸，d4对应b等损伤的极限尺寸；d5对应大修厂可接受的极限尺寸，d5≥d4。

41、根据战伤极限尺寸d1～d5的含义，以其作为关键决策点，建立的战伤评估逻辑决断流程；具体流程如下：

42、根据战伤尺寸判断外场有无修理价值，若外场无修理价值，转而判断大修厂有无修理价值；若大修厂有修理价值，则地转返厂修理，若大修厂无修理价值，则将飞机作为备件机；若外场有修理价值，进一步判断在外场是否需要修理，若外场不需要修理，则飞机无需修理且不限制使用；若外场需要修理，进一步判断在外场通过修理是否恢复最大能力，若通过修理不能恢复最大能力，则飞机必须修理且限制使用，若通过修理能恢复最大能力，进一步判断在外场紧急情况下是否必须要修理，若必须要修理，则飞机必须修理且修理后不限制使用，若不是必须要修理，进一步判断是否紧急没有时间修理，若不是紧急没有时间修理，则飞机修理，且修理后不限制使用；若是紧急没有时间修理，进一步判断限制使用条件是否满足任务要求，若限制使用条件满足任务要求，则飞机不修理但限制使用；若限制使用条件不满足任务要求，则飞机修理，且修理后不限制使用。

43、进一步的，所述步骤6中决策问题外场有无修理价值的决策标准为：若战伤尺寸≤d4则外场有修理价值，否则外场无修理价值；大修厂有无修理价值的决策标准为：若d4<战伤尺寸≤d5则大修厂有修理价值，若战伤尺寸>d5则大修厂无修理价值；外场是否需要修理的决策标准为：若d1<战伤尺寸≤d4则外场需要修理，若战伤尺寸<d1则外场不需要修理；在外场通过修理是否恢复最大能力的决策标准为：若d1<战伤尺寸≤d3则能恢复最大能力，若d3<战伤尺寸≤d4则不能恢复最大能力；在外场紧急情况下是否必须要修理的决策标准为：若d2<战伤尺寸≤d3则必须要修理，若战伤尺寸≤d2则不是必须要修理。

44、步骤7：战伤修理方案综合评估，获得战伤处理和维修方案；

45、确定其它修理方案，在步骤5获得的战伤结构强度分析图基础上，绘制其它修理方案下的修理后结构强度曲线和修理后结构强度限制线，以战伤结构强度分析图为基础，结合步骤6建立的战伤评估逻辑决断流程，对是否进行修理，选用何种修理方案进行决策，获得战伤处理和维修方案。

46、步骤8：放飞限制评估，获得放飞动作限制条件；

47、依据步骤5获得的战伤结构强度分析图，首先根据战伤结构是否修理，采取的何种修理方案的条件，对应查找战伤结构强度分析图中的结构强度限制线；其次，根据结构战伤尺寸，从结构强度限制线上确定出结构的放飞限制载荷；最后，在结构部位和放飞限制载荷的基础上，根据不同飞行动作的使用载荷需求，获得飞行任务剖面的飞行动作限制条件。

48、有益效果

49、本发明提出一种飞机战伤结构的强度评估方法，通过建立飞机战伤结构强度分析图，能够界定清楚不同战伤极限尺寸之间的关系，通过建立战伤评估逻辑决断流程，以不同的战伤极限尺寸作为战伤评估逻辑决断的关键判断点，能够为战伤评估决策提供有效支撑；并能够界定清楚战伤结构修理方案与结构强度的关系，可实现不同修理方案(修理、不修理、不同修理方法等)的结构强度对比，从而为不同修理方案的优选提供有效支撑；并且还能够界定清楚不同战伤尺寸下结构破坏载荷、极限载荷、限制载荷的关系，可用于评估战伤结构或修理后结构的限制载荷，进而为飞机的放飞决策提供有效支撑。