飞行器结构强度试验新方法浅析

飞行器结构强度试验新方法浅析

何学武 张伟 金三强

中国特种飞行器研究所 湖北荆门 448035

摘要：飞行器结构强度是型号研制的基础，直接影响着飞行器性能、安全、可靠性、舒适性和适航性。现代飞行器随着尺寸的增大，目前的常规物理试验在可行性、试验成本和周期等几个方面，已经无法满足项目研制的要求。本文针对飞行器结构强度试验，分析了比较前沿的试验方法技术，预测了后续试验方法发展趋势。

关键词：飞行器；结构；强度；试验方法

引言

飞行器结构强度是飞行器型号研制的基础，直接影响着飞行器性能、安全、可靠性、舒适性和适航性。在飞行器研制过程中，如何评价和验证简化的数学力学模型和设计计算方法，如何验证制造生产的飞行器机体结构强度是否满足设计指标，是否符合规范和标准的要求，这些问题均需要通过开展飞行器结构强度试验工作来一一回答，所以结构强度试验在飞行器研制过程中具有举足轻重的地位，是研制过程中不可或缺的一个环节。

1、现状

飞行器结构强度试验，是在试验室的条件下，通过科学合理的加载来模拟飞行器在的受载情况，对飞行器结构进行强度考核。全尺寸静力试验是在试验室中开展的大型试验之一，验证完整的飞行器在使用中可能遇到的受载情况，通过测量其响应（如应力、位移等），核对其设计要求是否达到，检验其是否安全可靠。全尺寸静力试验的实施，涉及试验的规划、载荷的获得、载荷的施加、试验的控制、响应的测量等专业技术，试验普遍周期长，需要投入庞大的人力和物力。

而随着社会需求的提高，大载重、长航时飞行器逐渐研制下线，其中一个显著的特点是外形尺寸越来越大，如大型飞艇、超大型运输机、太阳能无人机等。这些大型飞行器全机性试验的开展，目前试验室的常规试验条件是远远不够的，同时也存在着很多因素制约着试验的可行性，主要为以下几点：现有试验厂房尺寸无法满足试验；重新建设试验条件费用大、周期长；某些部件的载荷模拟加载不成熟。因此需要继续探索和研究一种新的试验方法，突破航空产品研制过程中存在的技术难题。

2、虚拟仿真试验方法

虚拟仿真试验技术是以建模与仿真、计算机测量与控制、计算机网络与通信、可视化与虚拟现实等技术为基础，通过建立虚拟对象和虚拟环境而进行的一种试验技术。作为一种针对物理试验的辅助试验技术，虚拟仿真试验技术在试验风险点分析、试验件结构危险部位分析等方面对于飞机结构试验进行了有益的补充。虚拟仿真试验是随着计算机仿真技术发展而提出的，其优点是所有试验对象和试验环境全部以计算机仿真模拟，能够在飞行器研制初期开展试验来评估设计方案和指导后期的物理试验；其不足的地方是仿真对象完全的理想化的，与真正的物理试验件和物理环境存在不可避免的偏差，因此虚拟仿真试验结果只能作为初步评估依据，或者作为物理试验的参考和指导。

3、混合试验方法

混合试验是在2000年前后，首先在美国土木工程领域被提出，初期目的是为了解决大型土木工程的模拟地震试验。混合试验是充分利用了虚拟仿真试验和物理试验的各自优势，其主要思想是：对于仿真建模成熟度高、载荷传递路线单一和清晰的试验对象部分（如桥梁立柱、机翼外翼等），使用虚拟仿真试验开展；而对于边界条件模拟难度大、建模相对精度低而又载荷传递复杂的试验对象部分（如桥梁根部，风电叶片连接部位），则使用物理试验开展；同时试验过程中，两者试验数据通信传输，协调一致的采用两种试验方法共同完成试验。优点是：对于大型结构，实现了试验的可行开展；利用物理试验部分，保证了试验的精度；利用虚拟仿真试验部分，节约了试验的各项投入。

4、远程协同试验方法

远程协同试验或称为分布式混合试验，是借助计算机网络的普遍应用以及互联网技术的飞速发展，为大型结构试验提供了另外一种途径，通过互联网将地理位置分布不同的试验室资源连接在一起以实现资源共享，几个实验室合作进行同一个试验。通过现代先进互联网数据高速传输技术，将网络试验平台和试验环境系统（载荷、温度、流场等）的通讯接口互联，将分布在不同地点的试验终端设备、试验数据库等联系在一起，综合各地点的研究力量，实现试验信息交流和资源共享。试验开展时，将大型试验分解成多个可行的“小”试验，各试验机构分别承担试验的子部分，试验过程中各地点试验数据通过互联网通信传输，最终实现协调一致的试验过程。

5、多学科协同仿真试验方法

多学科协同仿真试验是利用各专业仿真软件构建仿真验证平台，是将不同专业的仿真软件的通信接口进行统一后，集成于仿真验证平台，同时构建相应的知识库，将各专业已有的设计经验进行优化集成于验证平台。仿真验证平台由综合控制平台、各专业分系统、分系统控制台组成，三大系统及其内部通过网络（反射内存网、千兆以太网）进行连接，可以进行信息及控制指令的通讯。多学科协同仿真试验是航空飞行器设计的各专业在同一个平台上进行联合仿真计算，能够更明显发现各专业在设计阶段存在矛盾的地方，利于问题的有效解决。同时基于各专业在同一平台上的约束性条件的协同仿真，特别是在约束性条件发生改变时，能够极大的降低各专业的协调、整改时间和风险，大大提高了飞行器整体设计的效率和准确性。

6、总结

当前飞行器结构强度试验面临着很对制约因素，在试验周期、人力物力投入等方面居高不下，本文对几种先进的试验方法进行了分析，分析结果表明，随着现代计算机、5G通信、高速互联网等技术的飞速发展，结构强度试验借助以上先进技术手段，势必获得大的进步和突破。

参考文献

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