飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)時(shí)預(yù)警方法研究

柴東波，張建鋒，郭曉冬，楊東濤

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

1 引 言

全機(jī)靜力試驗(yàn)作為飛機(jī)研發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、試飛四大環(huán)節(jié)中不可或缺的第3棒[1]，是保障型號(hào)安全首飛和持續(xù)試飛的先決條件，其目的是鑒定飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靜強(qiáng)度，并為驗(yàn)證強(qiáng)度和剛度的計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝的合理性提供必要的數(shù)據(jù)和資料[2]。作為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的重要依據(jù)，應(yīng)變數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)承載變形后的準(zhǔn)確響應(yīng)。因此，對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速分析，對(duì)保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行有至關(guān)重要的作用。

民機(jī)盡早投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)是提升我國(guó)民機(jī)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。高效的全機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是提高民機(jī)型號(hào)研制效率的重要保障。目前，國(guó)內(nèi)在飛機(jī)研制過(guò)程中，由于前期部件靜力試驗(yàn)的驗(yàn)證不夠充分，使得在全機(jī)靜力試驗(yàn)中應(yīng)變計(jì)的布置多達(dá)上萬(wàn)片，尤其是在大飛機(jī)的研制過(guò)程中，應(yīng)變計(jì)最多可達(dá)30000余片。在試驗(yàn)過(guò)程中，有限的人力資源只能監(jiān)控其中少量重要部位的應(yīng)變變化，這就給試驗(yàn)的順利進(jìn)行帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要開(kāi)發(fā)一種工具軟件對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得試驗(yàn)人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的異常變化，并做出判斷，以保障試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

飛機(jī)在限制載荷試驗(yàn)期間，結(jié)構(gòu)不得發(fā)生有害變形；在極限載荷試驗(yàn)期間，結(jié)構(gòu)至少要承受3s極限載荷而不發(fā)生破壞[3]。一般情況下，應(yīng)變數(shù)據(jù)隨載荷線(xiàn)性增加呈線(xiàn)性變化，飛機(jī)變形超過(guò)材料的屈服極限、結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)或其他結(jié)構(gòu)損傷使得應(yīng)變出現(xiàn)非線(xiàn)性變化的部位將是試驗(yàn)人員重點(diǎn)監(jiān)控的部位。因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨試驗(yàn)載荷是否發(fā)生線(xiàn)性變化是判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否異常的一條重要判據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)靜力試驗(yàn)過(guò)程中預(yù)警方法的研究較少，主要是通過(guò)多人分部位監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)。韓凱等[4]對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)和研究，但主要針對(duì)的是失效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因；侯喬喬[5]對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)典型形態(tài)進(jìn)行了分析；王霞光等[6]提出了基于線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)的方法判斷數(shù)據(jù)的線(xiàn)性，但此種方法對(duì)異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)的判斷不夠敏感；張清勇、王曉鑫[7,8]提出了基于滑動(dòng)窗口的方式對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以判斷數(shù)據(jù)是否異常。以上研究都從一定維度上給出了部分異常數(shù)據(jù)的判斷依據(jù)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤判率過(guò)高，無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)的需求。

本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，充分考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差波動(dòng)、控制系統(tǒng)的控制精度，結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，提出了一套基于滑動(dòng)窗口、綜合偏離值和線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)的異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷方法，實(shí)現(xiàn)了靜力試驗(yàn)異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)判斷，大大降低試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2 判斷準(zhǔn)則

2.1 最小偏差Δεmin

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接應(yīng)變計(jì)和位移傳感器后，在無(wú)外載情況下連續(xù)采集，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。一組波動(dòng)值中，相對(duì)平均值的最大偏差設(shè)定為實(shí)時(shí)預(yù)警程序的最小偏差。最小偏差一般通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲取。

2.2 最大偏差Δε%

施加載荷的控制系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差，而測(cè)量系統(tǒng)自身也存在一定的測(cè)量誤差，這兩項(xiàng)誤差與測(cè)量值的大小存在一定的比例關(guān)系。最大偏差的設(shè)定根據(jù)控制系統(tǒng)的控制誤差和測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差疊加而定。

2.3 計(jì)算系數(shù)a

采用拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ-rule)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其線(xiàn)性回歸方程計(jì)算值的差來(lái)判斷該數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。計(jì)算系數(shù)為設(shè)定閾值偏差所需的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。一般設(shè)定計(jì)算系數(shù)為3，試驗(yàn)人員可以根據(jù)具體情況自行設(shè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線(xiàn)性回歸方程：

y=ax+b

(1)

其中：

測(cè)量值與線(xiàn)性回歸方程計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)差，可以反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線(xiàn)性變化。樣本標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式：

(2)

表1 修正因子

2.4 偏離值Δε

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏離值。預(yù)警程序偏離值閾值的設(shè)定公式：

(3)

2.5 相關(guān)系數(shù)r

相關(guān)系數(shù)用來(lái)表征兩組數(shù)據(jù)線(xiàn)性相關(guān)性的特征值，即表征試驗(yàn)數(shù)據(jù)與施加載荷的線(xiàn)性相關(guān)性的特征值，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，xi為逐級(jí)測(cè)量的載荷百分?jǐn)?shù)；yi為載荷百分?jǐn)?shù)xi所對(duì)應(yīng)的測(cè)量值

2.6 異常數(shù)據(jù)判定準(zhǔn)則

計(jì)算值與預(yù)測(cè)值之間滿(mǎn)足以下關(guān)系時(shí)，則判定試驗(yàn)數(shù)據(jù)為異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(5)

2.7 樣本數(shù)據(jù)

實(shí)際試驗(yàn)中，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)載荷曲線(xiàn)的斜率會(huì)逐漸發(fā)生變化。隨著測(cè)量次數(shù)的增減，曲線(xiàn)斜率的變化會(huì)對(duì)線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算產(chǎn)生較大的影響，大大增加預(yù)警程序的誤報(bào)率。

本文采用滑動(dòng)窗口的形式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；瑒?dòng)窗口內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不變，每進(jìn)入一個(gè)新的測(cè)量數(shù)據(jù)，若滑動(dòng)窗口數(shù)據(jù)已滿(mǎn)，則最先進(jìn)入滑動(dòng)窗口的測(cè)量數(shù)據(jù)被刪除，滑動(dòng)窗口更新一次；否則，將新進(jìn)的測(cè)量數(shù)據(jù)添加到滑動(dòng)窗口的尾部。滑動(dòng)窗口模型如圖1所示。

圖1 滑動(dòng)窗口模型

3 案例驗(yàn)證

某型飛機(jī)主起落架靜力試驗(yàn)是為了驗(yàn)證主起落架連接結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、驗(yàn)證計(jì)算方法的合理性。試驗(yàn)共布置了2019個(gè)應(yīng)變計(jì)，測(cè)量人員對(duì)所有應(yīng)變計(jì)的信息包括應(yīng)變計(jì)類(lèi)型、部位及貼片位置進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)和整理。

試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定預(yù)警參數(shù)最小偏差為20，最大偏差為2%，計(jì)算系數(shù)為3；相關(guān)系數(shù)為0.995。設(shè)定監(jiān)控開(kāi)始載荷為15%(載荷在前15%為非線(xiàn)性施加)，滑動(dòng)窗口數(shù)據(jù)塊數(shù)為5，試驗(yàn)監(jiān)控最小值為100。使用該預(yù)警方法對(duì)主起落架靜力試驗(yàn)的全部應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其各個(gè)載荷狀態(tài)出現(xiàn)的異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)量如圖2所示。

由圖2可以看出，應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)在55%、80%

載荷時(shí)出現(xiàn)增多趨勢(shì)。測(cè)量人員迅速對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)主起落架的撐桿部位進(jìn)行預(yù)警。試驗(yàn)委托方在進(jìn)行分析后繼續(xù)試驗(yàn)，在84%載荷時(shí)主起落架的撐桿銷(xiāo)釘斷裂，試驗(yàn)終止。圖3為該方法預(yù)警發(fā)現(xiàn)的部分異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 預(yù)警發(fā)現(xiàn)的部分異常試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，充分考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差波動(dòng)、控制系統(tǒng)的控制精度，結(jié)合實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)，基于滑動(dòng)窗口、綜合偏離值和線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了靜力試驗(yàn)異常數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)判斷，及時(shí)提醒試驗(yàn)人員進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，避免試驗(yàn)中試驗(yàn)件的非預(yù)期破壞，有效地降低了試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。