02-疲劳载荷谱处理

南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©1第2章疲劳载荷谱的处理2.1飞机疲劳载荷谱的组成飞机疲劳载荷谱的组成2.2飞机疲劳载荷谱的编制思路飞机疲劳载荷谱的编制思路2.3飞机疲劳载荷谱的种类飞机疲劳载荷谱的种类参考书目南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©2第2章疲劳载荷谱2.1疲劳载荷谱的组成飞机受到的疲劳载荷主要由下面五个部分组成：¾突风载荷¾机动载荷¾着陆撞击载荷¾地面滑行载荷¾地—空—地循环南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©3第2章疲劳载荷谱2.1.1突风载荷突风(Gust)载荷或阵风载荷是民用飞机疲劳损伤的主要来源，但对军用飞机造成的疲劳损伤不大。突风是由大气紊流造成的，目前已对大气紊流的分布作了统计，用垂直折算突风速度Ude描述。离散突风模型连续突风模型南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©4第2章疲劳载荷谱2.1.1突风载荷南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©5第2章疲劳载荷谱2.1.1离散突风载荷离散突风模型认为突风是一次一次独立地来到的。1º过载的产生平飞：突风：GSCVYy==221ρααραραyyVUSCSCVYVU21221=∆=∆≈∆GVUSCnnyyy211αρ+=∆+=合成：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©6第2章疲劳载荷谱2.1.1离散突风载荷2º突风缓和因子假定突风形状为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=csUU252cos12deπxyxyyxyVtUtSCVVtSCVtVM)()(21)(21dd2ααρρ=+飞机在突风作用下动态平衡方程[3,5]：解此平衡方程得到突风缓和系数Kg：为飞机质量比αρyggggSCcWUUUK23.588.0=+=南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©7第2章疲劳载荷谱2.1.1离散突风载荷南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©8第2章疲劳载荷谱2.1.1连续突风载荷连续突风模型基于功率谱密度技术，考虑所有波长的突风对飞机的影响。⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=2de21de1de5.3exp152.2exp20)(KUpKUpUN1º大气紊流环境表达式N(Ude)——超越Ude的平均次数/单位长度p1，p2——出现非暴风紊流和暴风紊流的比例南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©9第2章疲劳载荷谱⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∆−=∆∆∆∆2211exp15exp)0()(bAnpbAnpNnNnnn相应的超越频率2º飞机结构的响应飞机对大气紊流的响应突风谱任务剖面紊流均方根值的概率分布2.1.1连续突风载荷南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©10第2章疲劳载荷谱2.1.2机动载荷机动过载是歼击机类战斗机的主要疲劳载荷，是由飞行统计给出的。MIL-A-008866B给出的统计数据：4400040003508110000350710.50-1.0-2.0-2.53000001500005000013000250090018060157000025000750020002501511750001000004000010000150020015115000220050012000055005001100002500400150009012.03.04.05.06.07.08.09.010.0空－空特种武器空－地巡逻下降巡航爬升ny南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©11第2章疲劳载荷谱2.1.2机动载荷运输机的机动过载：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©12第2章疲劳载荷谱2.1.2机动载荷运输机的机动过载：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©13第2章疲劳载荷谱2.1.3着陆撞击载荷着陆撞击疲劳载荷取决于飞机的下沉速度Vy和飞机与起落架的弹性特性。MIL-A-8866统计地飞机下沉速度为(表）：着陆下沉速度还与飞机类型有关。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©14第2章疲劳载荷谱2.1.3着陆撞击载荷下沉速度出现的频率(/1000次)180290260155782681.51.01.00.513019022019012570371782.61.40.90.612345678910111213所有其它类型飞机教练机下沉速度(ft/s)南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©15第2章疲劳载荷谱2.1.3着陆撞击载荷按起落架参数，组合下沉速度，求出无量纲的接地速度aWgAVUy120=′W1——一个减震支柱上部质量(kg)a——轮胎的力—挠度曲线线性化后的斜率(kg/m)θρcos)(22nd3hACAA=Ah——减震器活塞液压面积ρ——液体质量密度Cd——油孔泄放系数An——油孔净面积θ——减震支柱轴线与垂线的夹角南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©16第2章疲劳载荷谱2.1.3着陆撞击载荷按无量纲接地速度查出最大加速度AgaUg1′′=∆0U′1U′′实测：实测：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©17第2章疲劳载荷谱2.1.4地面滑行载荷地面滑行载荷的大小取决于跑道的平整度和起落架的缓冲性能。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©18第2章疲劳载荷谱2.1.4地面滑行载荷一般通过实地测量获得地面滑行载荷，在没有实测数据时，可采用标准给出的数据，如:美国军用规范MIL-A-8866494,000194,00029,0002,0009440.1550.0051±0.01±0.11±0.21±0.31±0.41±0.51±0.61±0.7累积出现次数重心处过载南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©19第2章疲劳载荷谱2.1.5地—空—地地—空—地循环载荷是指一次飞行的空中最大载荷和地面最小载荷所组成的大循环。对于气密座舱来说也存在增压—卸压的大循环。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©20第2章疲劳载荷谱2.2疲劳载荷谱的编制思路1.只考虑y方向2.分地面和飞行3.由统计得出各类飞机的疲劳载荷谱（应力的大小，次数多少，随机抽样）飞机疲劳载荷谱编制的基本依据是飞机的任务剖面南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©21第2章疲劳载荷谱任务剖面定义：任务剖面是一些任务段或事件的顺序表，这些任务段或事件组成一个完整的任务。任务剖面可以用图形或表格表示，通常包含下列变量：必须包含：A.任务类型B.任务使用率C.外形布局D.空速E.高度F.总重G.时间H.着陆次数(含复飞触地)可能包含：I.外挂物投放J.其它明显的重量变化K.任务半径L.不同于标准的其他跑道型式M.高用于和有助于确定典型任务的任何其它补充资料任务剖面例子南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©22第2章疲劳载荷谱任务剖面的表格形式南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©23第2章疲劳载荷谱任务剖面的图形形式南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©24第2章疲劳载荷谱任务剖面例子某飞机设计飞行寿命：4000小时设计着陆次数：4000次飞机用途：85％空—空战斗，15％空—地战斗主要任务：5种剖面‰空战任务I‰空战任务II‰点截击任务‰近距空中支援任务I‰近距空中支援任务II南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©25第2章疲劳载荷谱任务1南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©26第2章疲劳载荷谱任务2南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©27第2章疲劳载荷谱任务3南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©28第2章疲劳载荷谱任务4南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©29第2章疲劳载荷谱任务5南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©30第2章疲劳载荷谱2.3疲劳载荷谱的种类疲劳载荷谱按其形式可分为三类：常幅疲劳载荷谱变幅程序块谱随机疲劳载荷谱南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©31第2章疲劳载荷谱2.3.1常幅谱常幅疲劳载荷谱通常用于材料的疲劳性能试验、方法研究、结构疲劳性能的对比等。描述一个常幅疲劳载荷谱需要下述五个参数中的二个：最大应力Smax、最小应力Smin、应力幅值Sa、平均应力Sm、应力比R应力比R＝－1，对称循环疲劳载荷应力比R＝０，脉动循环疲劳载荷2minmaxaSSS−=2minmaxmSSS+=maxminSSR=南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©32第2章疲劳载荷谱2.3.2程序块谱程序块谱是对工程结构服役载荷谱的一种统计近似。当整个寿命期内块谱的块数较少时，不同编排对疲劳寿命有较大的影响；通常，程序块谱采用低—高—低的方式编排；对飞机结构，通常按任务剖面编排；程序块谱可以用图或表格表达。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©33第2章疲劳载荷谱2.3.2程序块谱某飞机结构细节100飞行小时某飞行剖面飞行载荷谱520.6106.019.03.511.00.10.81.68.020.010.50.020.00.020.030.00.09.576.574.080.5109.0104.0148.4127.5117.080.0123456789频率fSmin(MPa)Smax(MPa)级数南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©34第2章疲劳载荷谱2.3.3随机谱随机谱是将实测和分析得到的载荷按结构服役过程中的受载特点进行随机编排。目前已有多种随机编谱的方法，各行业也有各自的做法。¾伪随机数¾乘同余法¾随机谱编排南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©35第2章疲劳载荷谱伪随机数伪随机数(Pseudo-RandomNumber)是按某种规律产生的均匀分布的数的集合。试图用它模拟现实世界中的随机数。定义：取n个自然数m1，m2，……mn，其中1≤mi≤n(i∈n)，且mi不重复，使其随机排列，则称n为该随机数列的周期，即有mi＝mi+n。产生伪随机数的方法有：(1)物理方法：用机械的办法产生白噪声(2)查表法(3)数学方法：加同余法、乘同余法、混合同余法等南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星王英玉王英玉王英玉©©©36第2章疲劳载荷谱乘同余法采用乘同余法