第 期 A330/A340飞机全尺寸疲劳试验载荷谱研究 3

第 期 A330/A340飞机全尺寸疲劳试验载荷谱研究 3

运输机全尺寸疲劳试验载荷谱研究

王想生 1 1 ，胡玫瑰 2 1

中航通飞华南飞机工业有限公司，珠海 519040

摘 要：采用分部段试验的方法对A330/A340飞机中机身与机翼组合段进行疲劳试验载荷谱研究，重点研究载荷谱离散、随机化和加速疲劳试验等方面。结果表明，采用分部段试验易于平衡；有时为了缩短试验时间，可以采用放大载荷谱的方法即加速疲劳试验方法。

关键词：载荷谱离散 随机化 加速疲劳试验 分部段试验

1 前言

本文以空客A330与A340飞机中机身与机翼组合段为例开展运输机全尺寸疲劳试验载荷研究。

2 飞机类型及使用情况

2.1 飞机类型

短程飞机A330和运程飞机A340两种机型的结构形式相似，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。

2.2 使用情况

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1。

表1 空客A330/A340典型飞行任务剖面主要参数

以上每个任务剖面大致划分为30种飞行状态，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。以下初步介绍一下分部段试验方案的优缺点：

• 在试验件上施加的载荷谱比较全面，易于平衡，如一些非对称载荷；

• 加载方便，像发动机侧向载荷、襟翼航向载荷、发动机停车偏航载荷等；

• 各分段试验并行性较好，总进度快；

• 试验速度较快；

• 试验加载点少，载荷平衡协调简单，试验设备简单；

• 增加不少结构作为过渡段，成本较高；

• 试验分段支持夹具复杂，设计制造难度大、耗费高。

3 中机身与机翼组合段试验载荷谱

3.1 试验载荷谱概述

空客A330/A340噪声在100以下，低于140dB,可以不必做噪声疲劳分析和试验。

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。

A330与A340飞机中机身组合段一样，如图1，试验件通过在前面和后面隔板假件加6个链接支持，试验件通过立式作动筒和内部增压来加载。

图1 A330/A340中机身和机翼组合段试验件

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。A340与A330飞机的设计寿命分别为20000次飞行和40000次飞行，疲劳试验目标寿命取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。下面主要介绍空中突风载荷和地面载荷谱，两者构成运输机的地空地载荷。

3.2 突风载荷谱

空客与波音公司突风载荷谱基于的突风统计数据不尽相同，波音飞机参考NASA TN 4332，而空客及欧洲飞机公司基于ESDU 69023。空客飞机A330/A340采用AGARD No. 605中的数据，该数据适合较高的突风速度，该数据方程曲线比较单一，对于低突风速度与试验数据不符，空客公司基于此，在原有方程上引入一参数来统计突风数据，一般波音公司认为垂直突风与侧向突风相同，而空客不这么认为，具体如下

^[8-10]：

：突风速度 （英尺/秒）每海里超越数；

：折算当量突风速度（英尺/秒）；

：系数 垂直突风：1.00

侧向突风：1.15；

：向上突风与向下突风占总突风之比（与高度有关），向上与向下比值之和为1.0

一般参考NASA资料，突风统计参数需要4个，而以上方程只需2个，应用起来更为简便。

突风高载荷一般发生在巡航段，因此疲劳试验一般在巡航段施加地空地载荷谱，对于增压机身来说计算偏保守，在巡航段施加地空地载荷后会导致载荷谱比实际载荷历程要大，应将地空地载荷按等损伤理论折算成突风载荷，继而在巡航段突风载荷的基础上减去地空地载荷。

3.3 高载截取和低载截除

高载在某方面来说是随意的，通常确定载荷谱的高载截取水平是目标寿命期内发生10次的载荷。

A330/A340中机身与机翼组合段载荷谱采用的方法是统计方法，高载截取水平定义为超过或等于一个检查间隔期内服役飞机的99%，鉴于此最大试验载荷为每个检查间隔发生一次载荷的79%。

3.4 地面载荷谱

全尺寸疲劳试验总共考虑7种不同地面1g状态，其中4种在飞行前，三种在飞行后。基本1g载荷加上由滑行、转弯、抬前轮、刹车、着陆引起的载荷增量。

基于等损伤理论，A330/A340撞击载荷谱离散3级，即 2.0英尺/秒、3.5英尺/秒和6.0；刹车谱离散2级，即过载为0.2和0.3。

3.5 增压载荷

除了以上描述的地面载荷和飞行载荷外，在施加飞行载荷时需要模拟增压载荷。增压载荷分布与飞机的任务剖面保持一致，在固定点与最大巡航574hPa之间做线性简化。

3.6 载荷随机化

编排疲劳试验载荷谱加载顺序，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。疲劳试验载荷谱的随机处理建议采用伪随机函数的数学方法，目前伪随机函数较多，本文推荐采用混合乘同余法。

3.7 加速疲劳试验

由于疲劳试验耗费时间较长，各航空公司采用各种方法来加速疲劳试验。空客公司A340/A330飞机做全尺寸验证疲劳试验时，为了抢占市场及更早的暴露疲劳薄弱部位以便及时更改，将飞机各分段载荷历程增大10%，起到加速疲劳试验的效应。

以增大载荷来加速疲劳试验，需要验证载荷增大对结构寿命的影响，空客公司常通过采用结构细节SN曲线来确定影响系数， SN曲线系数x与载荷环境（载荷水平和谱型等）、结构几何构型（应力集中、偏心、预应力等）有关。一般等幅载荷谱和TWIST谱条件下SN曲线系数x大于3.0，一般载荷谱增大10%对应结构实际试验寿命至少是试验寿命的1.25倍即疲劳试验节省20%的时间。对于大部分结构细节SN曲线系数x和Forman方程的指数n均大于3.0，说明对于飞机大部分结构疲劳试验寿命至少是实际寿命的1.25倍。由于载荷增加10% 时若指数n或SN曲线系数x变化 0.5导致试验寿命变化 5%,则在确定SN曲线系数或指数n不需要太高的精度。

4 结论

（1）分部段试验易于平衡、加载方便、并行性好、试验设备简单。

（2） 连续谱曲线不能直接用于疲劳试验，需要进行离散，离散包括高载截取、低载截除和离散分级，将离散谱进行载荷随机排列即获得试验用飞-续-飞谱。载荷随机排列推荐采用混合乘同余法，该方法已经在空客A330/A340飞机上获得成功应用。

（3）若采用加速疲劳试验，载荷谱对应每一级载荷的大小增加10%，试验时间节省20%，将带来很大的经济效益。采用加速疲劳试验的方法可以为民机抢占更多的时间和订单。

参考文献

1. 李元镜.飞-续-飞载荷谱（5乘5谱）编制方法初探[J].民用飞机设计与研究，2002.3.

2. J. B. de JONGE, D.SCHUTZ, H. LOWAK and J. SCHIJVE. A STANDARDIZED LOAD SEQUENCE FOR FLIGHT SIMULATION TESTS ON TRANSPORT AIRCRAFT WING STRUCTURES[R]. NLR TR 73029, 1973.

3. 飞机结构耐久性及损伤容限设计手册第二册(飞机结构的疲劳分析)[M]，航空航天工业部科学技术研究院，1989.

4. AGARD No. 605.

5. ESDU 69023.

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