一种飞机地空地损伤的确定方法与流程

本发明属于疲劳寿命试验领域，具体涉及一种飞机地空地损伤的确定方法。

背景技术：

通用飞机是全部飞机类型中，数量最多、型号最多的机种，包括小型飞机、大型涡轮和螺旋桨飞机等。根据民航适航规章CCAR23部第571条及572条要求，通用类飞机应进行疲劳强度检查或破损安全强度检查。

适航咨询通报AC23-13A中给出了疲劳强度检查的基本方法及载荷谱(含阵风、机动、滑行及着陆四个任务段)，并提出应考虑地空地损伤的影响。地空地损伤是指在一次飞行中发生一次的载荷循环所造成的损伤，以机翼根部为例，地空地损伤通常占总损伤的60％-90％，因此，在对结构的疲劳强度检查中必须确定地空地损伤。

现有的适航条款及咨询通报未就如何从阵风、机动、滑行及着陆四个任务段载荷谱的超越数累积频次中如何确定地空地损伤给出明确说明。在实际的疲劳分析例中，没有一种行之有效的方法用于准确地确定地空地损伤。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明给出了一种准确有效地计算通用类飞机地空地损伤的确定方法。

本发明飞机地空地损伤的确定方法主要包括以下步骤：

S1、分别将阵风载荷谱曲线、机动载荷谱曲线、滑行载荷谱曲线以及起降载荷谱曲线离散出多个数据点，所述任一数据点包含过载增量与累积频次两个参数；

S2、根据过载增量与最小应力之间的关系以及过载增量与最大应力之间的关系确定出累积频次与最小应力之间的关系以及累积频次与最大应力之间的关系；

S3、拟合累积频次与最小应力之间的指数方程：

$y_{\min }=e^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

其中，当x为最小应力时，y_min为最小应力对应的累积频次，a_i、b_i、c_i为y_min指数方程中的系数，i取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_min指数方程；同时，

拟合累积频次与最大应力之间的指数方程：

$y_{\max }=e^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

其中，当x为最大应力时，y_max为最大应力对应的累积频次，a_j、b_j、c_j为y_max指数方程中的系数，j取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_max指数方程；

S4、确定一次地空地飞行的累积频次，所述一次地空地飞行的累积频次为：当y＝1时的x取值，所述y与x的表达式为

$y=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

从而能够求得地空地最小应力，或者

$y=\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

从而能够求得地空地最大应力；

S5、根据所述地空地最小应力及所述地空地最大应力确定地空地损伤。

优选的是，所述步骤S1中，任一载荷谱曲线离散出的数据点个数不少于5个。

上述方案中优选的是，所述步骤S2中，在阵风或机动状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：最小应力＝机动平均应力*(1-过载增量)；最大应力＝机动平均应力*(1+过载增量)。

上述方案中优选的是，当分机平飞1g时，所述机动平均应力为37.9MPa。

上述方案中优选的是，所述步骤S2中，在滑行状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：最小应力＝滑行平均应力-35.5*过载增量；最大应力＝滑行平均应力+35.5*过载增量。

上述方案中优选的是，所述滑行平均应力为5.86MPa。

上述方案中优选的是，所述步骤S2中，在起降状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：当飞机下沉或上升速度不小于1英尺/s时，最小应力＝着陆循环平均应力-8.27*(1+下沉或上升速度)，最大应力＝着陆循环平均应力+8.27*(1+下沉或上升速度)，否则，最小应力＝着陆循环平均应力-16.5MPa，最大应力＝着陆循环平均应力+16.5MPa。

上述方案中优选的是，所述着陆循环平均应力为19.0MPa。

本发明所提出的通用类飞机地空地损伤的确定方法，理论依据清楚，步骤简便，便于计算机编程实现自动化计算。可用于迅速准确地确定飞机各关键部位的地空地循环损伤。

本发明所提出的通用类飞机地空地损伤的确定方法，是在满足适航认证要求的前提下得到的，可广泛应用于各种通用类飞机地空地损伤的确定。

附图说明

图1为本发明飞机地空地损伤的确定方法的一优选实施例的流程图。

图2为本发明图1所示实施例的阵风载荷谱离散数据点最小应力、最大应力与累积频次关系示意图。

图3为本发明图1所示实施例的滑行载荷谱离散数据点最小应力、最大应力与累积频次关系示意图。

图4为阵风、机动、滑行、着陆各载荷谱以每小时各级最小应力、最大应力所对应的累积频次的拟合为指数方程的各个系数。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明飞机地空地损伤的确定方法主要包括以下步骤：

S1、分别将阵风载荷谱曲线、机动载荷谱曲线、滑行载荷谱曲线以及起降载荷谱曲线离散出多个数据点，所述任一数据点包含过载增量与累积频次两个参数；

S2、根据过载增量与最小应力之间的关系以及过载增量与最大应力之间的关系确定出累积频次与最小应力之间的关系以及累积频次与最大应力之间的关系；

S3、拟合累积频次与最小应力之间的指数方程：

$y_{\min }=e^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

其中，当x为最小应力时，y_min为最小应力对应的累积频次，a_i、b_i、c_i为y_min指数方程中的系数，i取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_min指数方程；同时，

拟合累积频次与最大应力之间的指数方程：

$y_{\max }=e^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

其中，当x为最大应力时，y_max为最大应力对应的累积频次，a_j、b_j、c_j为y_max指数方程中的系数，j取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_max指数方程；

S4、确定一次地空地飞行的累积频次，所述一次地空地飞行的累积频次为：当y＝1时的x取值，所述y与x的表达式为

$y=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

从而能够求得地空地最小应力，或者

$y=\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

从而能够求得地空地最大应力；

S5、根据所述地空地最小应力及所述地空地最大应力确定地空地损伤。

本实施例步骤S1中，例如将适航咨询通报AC23-13A中附录一给出的阵风、机动、滑行、起降的载荷谱曲线分别离散出若干个点，以阵风为例，从附图中沿横坐标间隔相同的距离取出10个值，并将相应坐标转换成每小时各级过载增量所对应的累积频次，图2中前两列给出了对应的数据。

需要说明的是，为保证后续步骤曲线拟合的准确性，任一载荷谱曲线离散出的数据点个数应当不少于5个。本实施例除滑行载荷谱中离散出5个点以外，其余三个曲线均离散出10个数据点。

本实施例中，步骤S2用于根据过载增量与应力之间的关系确定出累积频次与应力之间的关系，过载增量与应力之间的关系为最小应力＝平均应力-应力幅值；最大应力＝平均应力+应力幅值，其主要根据通用类飞机的所述四个载荷谱曲线及飞机任一结构的有限元应力分析结果来确定。下面就四个状态分别进行说明。

所述步骤S2中，在阵风或机动状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：最小应力＝机动平均应力*(1-过载增量)；最大应力＝机动平均应力*(1+过载增量)。

根据某通用、单发、非增压舱飞机的起落架部位的应力分析结果：飞机平飞1g时，对应的平均飞行应力为37.9MPa，阵风和机动的应力幅值均为1g×Δg；Δg即为过载增量。计算得到的最小应力及最大应力见附图2中后两列所示。可以理解的是，飞机在Y轴方向的过载，等于飞机升力(Y)与飞机重力(G)之间的比值，即ny＝Y/G，常称平飞时，ny＝1，为平飞1g。

在滑行状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：最小应力＝滑行平均应力-35.5*过载增量；最大应力＝滑行平均应力+35.5*过载增量。其中35.5*过载增量即为应力幅值。

上述滑行平均应力为5.86MPa。滑行状态离散的5个数据点及对应的最小应力及最大应力如图3所示。

所述步骤S2中，在起降状态下，所述过载增量与应力之间的关系为：当飞机下沉或上升速度不小于1英尺/s时，最小应力＝着陆循环平均应力-8.27*(1+下沉或上升速度)，最大应力＝着陆循环平均应力+8.27*(1+下沉或上升速度)，否则，最小应力＝着陆循环平均应力-16.5MPa，最大应力＝着陆循环平均应力+16.5MPa。下沉速度单位为英尺/s。

上述着陆循环平均应力为19.0MPa。

以最小应力为x坐标，以累积频次为y坐标，分别拟合阵风、机动、滑行及着陆的每小时各级最小应力和累积频次的指数方程：

$y_{\min }=e^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

其中，当x为最小应力时，y_min为最小应力对应的累积频次，a_i、b_i、c_i为y_min指数方程中的系数，i取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_min指数方程；同时，以最大应力为x坐标，以累积频次为y坐标，分别拟合阵风、机动、滑行及着陆的每小时各级最大应力和累积频次的指数关系：

$y_{\max }=e^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

其中，当x为最大应力时，y_max为最大应力对应的累积频次，a_j、b_j、c_j为y_max指数方程中的系数，j取1～4之间的整数，分别用于表示阵风、机动、滑行以及起降四个y_max指数方程。

图4给出了经过拟合后，得到的阵风、机动、滑行、着陆各载荷谱以每小时各级最小应力、最大应力所对应的累积频次的拟合为指数方程的各个系数。从而得到四个y_min指数方程与四个y_max指数方程。

最后，确定一次地空地飞行的累积频次，根据地空地应力损伤的定义(每次飞行发生一次的应力循环所造成的损伤)，即y＝1，所以所述一次地空地飞行的累积频次为：当y＝1时的x取值，所述y与x的表达式为

$y=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_i+b_{i}x+c_i{x}^2}$

从而能够求得地空地最小应力，或者

$y=\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{e}^{a_j+b_{j}x+c_j{x}^2}$

从而能够求得地空地最大应力。

本实施例中，利用Matlab软件分别反求得地空地最小应力为-9.1MPa，地空地最大应力为71.5MPa。

在确定地空地最小应力和最大应力之后，即可按照适航咨询通报AC23-13A的附录2中的材料S-N曲线确定地空地损伤为2.0533×10^-6/小时。

本发明所提出的通用类飞机地空地损伤的确定方法，理论依据清楚，步骤简便，便于计算机编程实现自动化计算。可用于迅速准确地确定飞机各关键部位的地空地循环损伤。

本发明所提出的通用类飞机地空地损伤的确定方法，是在满足适航认证要求的前提下得到的，可广泛应用于各种通用类飞机地空地损伤的确定。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。