全尺寸结构疲劳试验载荷谱编制方法浅析

全尺寸结构疲劳试验载荷谱编制方法浅析

佟德喜  杨荣 

中航通飞华南飞机工业有限公司

摘要：民机必须通过全尺寸结构疲劳试验验证飞机拥有足够的疲劳强度并能在服役期内经济的加以修理，通过试验尽早的发现疲劳薄弱区域并及时的更改结构，减少损失。开展全尺寸结构疲劳试验需要编制试验载荷谱，国外波音与空客试验谱采用TWIST谱，TWIST谱不依赖于损伤模型。本文基于空客A330/A340已公开发布的资料进行疲劳试验载荷谱编制方法浅析。

关键词:疲劳；全尺寸结构；疲劳试验载荷谱；TWIST谱

1  引言

民机必须通过全尺寸疲劳试验验证飞机拥有足够的疲劳强度并能在服役期内经济的加以修理，通过试验尽早的发现疲劳薄弱区域并及时的更改结构，减少损失。疲劳试验载荷谱的编制原则是：既要尽可能做到载荷真实，又要与计划的研制进度和试验设备的能力限制相协调。编疲劳试验载荷谱要权衡真实性、适时性和经济性，国外波音与空客试验谱采用TWIST谱，TWIST谱不依赖于损伤模型。

本文基于空客A330与A340飞机中机身与机翼组合段公开发表的资料，浅析民机全尺寸结构疲劳试验载荷谱编制方法及需要注意的问题。

2  飞机类型及使用情况

2.1 飞机类型

空客中短程A330（如图1）和运程A340（如图2）分别于1992和1993年取证，两种机型的相关参数对比见表1。考虑到相似性，两种飞机在取证时，取A340-300飞机结构做多段全尺寸疲劳试验。这就是波音公司与空客公司不同所在，波音公司一般取整机做全机疲劳试验，而空客公司一般将飞机分成几段分别做全尺寸试验，如前机身、中机身和机翼组合段、后机身、水平尾翼安定面等。本文主要分析空客A330/A340中机身与机翼组合段。

图1空客中短程飞机A330三视图

图2空客运程飞机A340三视图

表1空客A330/A340相关参数对比

2.2使用情况

参考空客飞机的服役经验空客A330/ A340典型飞行任务剖面（疲劳典型飞行任务剖面一般为：旅客机60%商载，货机70%设计商载）如图3。空客A340与空客A330巡航高度不尽相同，A340巡航分两段，A340按典型飞行任务剖面分为短程和中程，相关参数具体见表3。波音与空客等大型客机的设计目标寿命均大于20个日历年，A330的目标设计寿命为40000次飞行，A340的目标设计寿命为20000次飞行，其中A340短程和中程各占一半[9-11]。

表3空客A330/A340典型飞行任务剖面主要参数

图3空客A330/A340典型飞行任务剖面

以上每个任务剖面大致划分为30种飞行状态（波音为27种状态），每种状态对应不同飞行、地面以及内部增压载荷。飞机不同部位受载情况不尽相同，在每个部位加载30种飞行状态工作载荷不现实，对于某些部位某些载荷造成的疲劳损伤较小，可以忽略，在加载时可以考虑不施加，这样大大节省时间以便更精确的描述重要载荷。空客飞机鉴于此考虑，将全机分成几段分别进行全尺寸疲劳试验，如图4。

图4空客飞机分部段全尺寸试验方案

3  中机身与机翼组合段试验载荷谱

由空客飞机相关参数对比可知，空客A330/A340噪声在100以下，低于140dB,依据资讯通报可知空客飞机可以不必做噪声载荷即不做噪声疲劳分析。

中机身与机翼组合段疲劳试验为最重要的试验项目，试件由全翼展机翼的主要结构和中机身(含地板)结构组成。在中机身的前后工艺分离面分别延长1.0～1.5倍的机身宽度作为过渡段。在延长后的端面改装成两个承压球面端框，并用铰接拉杆把试件静定地固定在地面试验夹具上。左右主起落架、前缘缝翼和后缘襟翼及滑轨均用假件代替，但保证与机体结构的真实连接关系，假件上应布置适合各种载荷情况的加载点。机身内充填最大可能容积的聚乙稀泡沫塑料。前、后机身对中机身的反作用力，可在两端框上集中等效施加，个别支持拉杆也可作为被动加载点使用。

优化得到中机身与机翼组合段载荷情况的最小分析范围见表4。

表4空客A330/A340中机身与机翼组合段载荷情况最小分析范围

由于A330飞机与A340飞机中机身与机翼组合段一样，空客公司采用同一试验同时验证A330与A340飞机的设计寿命。由前面2.2节可知，A340与A330飞机的设计寿命分别为20000次飞行和40000次飞行，由于疲劳试验需要做2倍的设计使用寿命，因此空客公司取A340-300飞机中机身与机翼组合段做全尺寸试验寿命，如图

6,疲劳试验目标位以上两种机型设计目标寿命之和的2倍即80000次飞行，整个试验分为两个阶段，第I阶段施加A340飞机的使用载荷，在施加A340飞机载荷时按短程与中程交替施加；第二阶段施加A330的使用载荷，试验达到40000次飞行时A340设计寿命获得验证，而A340载荷谱明显比A330载荷谱严重，在此基础施加40000次A330飞机使用载荷，则A330飞机设计寿命同时获得验证。

由前面可知每个典型飞行任务剖面包括30多个飞行任务段，每个飞行任务段对应不同的状态，基于疲劳损伤大小简化载荷谱选择10种典型飞行任务段描述A330/A340飞机的载荷时间历程。运输机载荷主要以突风载荷为主，而机身与机翼组合段载荷以垂直突风载荷为主，造成飞机损伤主要是地空地（GAG）损伤。

疲劳试验载荷谱的参数包括高载截取、低载截除、谱块大小、载荷顺序等。这些参数在生成载荷谱过程中必须考虑。

a)谱块大小：

参照欧美经验按目标寿命（总的飞行小时或总的飞行次数）的1/10形成一个试验谱块（基于最高载荷在一个寿命期出现10次，一个谱块出现一次）。如飞机设计目标寿命为15000飞行小时，则一个试验块谱代表1500飞行小时

b)高载截取：

高载在某方面来说是随意的，但需要考虑以下方面的因素：

假设飞机目标寿命期内载荷谱中超过某应力值的循环数为A，A是均值或者期望值。这说明某些飞机超过该值，某些飞机小于该值。对于相对来说较大的载荷，A值较小，导致某些飞机机队不会历经该载荷。载荷较大循环次数较少的载荷可能加强部件的疲劳性能，这样导致疲劳试验不保守（针对那些不会产生该高载的飞机来说）。因此疲劳试验高载水平取大量飞机机队期待遇到最少的载荷，即确定标准载荷谱的高载截取水平是目标寿命期内发生10次的载荷。

c)低载截除：

每次试验飞行的平均循环数以及平均试验时间是试验谱低载截除水平的函数，低载截除水平需要在载荷的真实性与可接受的测试时间之间做出抉择。低载截除水平的量级目前尚无统一标准，有几种标准可供参考：

1)取最大载荷幅值的10%-14%作为最小载荷；

2)取持久极限应力水平的70%作为最小载荷；

3)根据所采样的机翼下表面细节最大的应力响应，对所有5级载荷水平的飞行段，波音757和767载荷谱的最小交变应力小于巡航平均应力的17.5%。

d)载荷顺序：

飞行类型及其相应的载荷矩阵谱确定后，需要对飞行类型即飞行类型的各级载荷的顺序进行编排。首先，对各种试验飞行类型中的分级载荷分别编排其载荷顺序；然后，再编排这些飞行类型的顺序。为了更真实的模拟飞机的使用情况，载荷和飞行顺序的编排采用随机选取的方法确定，即：载荷顺序应从每个使用情况中相应飞行类型的各级载荷中随机地交替选择峰、谷值；试验飞行类型顺序应从谱块的各类飞行中随机地选取。

A330短程飞机4000次飞行块谱中各飞行类型的分布如图5，在试验阶段II中重复10次这种块。最严重飞行类型AZ到DZ服从均匀分布，而其他飞行类型随机分布。在试验阶段I加载20次A340块谱，在试验阶段II加载10次A330载荷块。

图5 A330/A340疲劳试验谱加载顺序

4  结论

本文以A330/A340中机身与机翼组合段为例，初步分析了其采用的疲劳试验载荷谱编制方法，对其他民机研制具有一定借鉴意义。

参考文献：

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