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1.5 飞机载荷/环境谱的历史发展

既然载荷/环境谱对飞机结构定寿和延寿如此重要,那究竟需要编制什么样的载荷/环境谱呢?从确定飞机结构使用寿命的要求来说,需要编制能真实反映飞机实际使用情况的复杂的载荷/环境谱。不过,编制载荷/环境谱与人们对飞机疲劳问题的认识能力、与飞机设计准则的选择,以及与社会的整个科学技术发展水平密切相关。随着人们认识能力的不断深化和社会整个科学技术发展水平的不断提高,载荷/环境谱的研究、编制和试验经历了一个由浅入深、由简到繁、由低级到高级的发展过程。就载荷谱而言,在20世纪40年代至50年代,人们用最简单的常幅载荷谱来进行疲劳试验和寿命估算;到50年代至60年代,发展到用程序块载荷谱;而从70年代至今,在飞机疲劳/耐久性/损伤容限试验和疲劳/断裂分析中,广泛应用能模拟飞机使用载荷历程的飞—续—飞载荷谱。从20世纪70年代开始,逐步考虑腐蚀环境影响,提出了编制载荷/环境谱要求。

不同的设计准则需要编制不同类型的载荷/环境谱。飞机结构设计经历了静强度设计、安全寿命设计、损伤容限设计和耐久性设计这样几个发展阶段。静强度设计不需要编制载荷谱,早期的安全寿命设计(20世纪60年代以前)编制程序块载荷谱基本上可满足设计要求,也无须编制环境谱。到了70年代以后,安全寿命设计及耐久性设计往往是和损伤容限设计一起考虑的,这时,就需要编飞—续—飞载荷谱来进行试验和分析,并且还需要编制环境谱来考虑腐蚀环境对飞机使用寿命的影响。进入到21世纪初,又需要分别编制耐久性设计使用载荷谱和损伤容限设计使用载荷谱来进行耐久性/损伤容限试验和分析,并着重强调了载荷/环境谱对使用寿命的影响。

较详细回顾这一历史进程,对今后深入开展该领域的工作或许有所裨益。尽管在20世纪70年代美军标就提出了编制载荷/环境谱的要求,但国外有关飞机环境谱研究和编制方面的公开资料却很少,因此,我们将以载荷谱为主来回顾这一历史进程。

飞—续—飞载荷谱是按一次飞行接着一次飞行所编制的载荷谱。与传统的程序块载荷谱相比,飞—续—飞载荷谱的最大优点是它能较好地模拟飞机的使用载荷历程。用飞—续—飞载荷谱所进行的试验称为飞行模拟试验。下面以飞—续—飞载荷谱为线索来回顾国外飞机载荷谱研究、编制和试验的历史进程。

1.5.1 国外发展概况

用飞—续—飞载荷谱进行飞行模拟试验,可追溯到20世纪60年代初期。从1959年到1961年,瑞士Federal飞机工厂(F+W)根据飞行实测结果,用飞—续—飞载荷谱进行了商用飞机P3机体飞行模拟试验的尝试。在整个20世纪60年代,人们也曾进行过一些探索性工作,不过那时主要局限于用飞—续—飞载荷谱进行材料的疲劳性能研究。例如,1969年,Ronay报道了用飞—续—飞载荷谱研究高强度钢的疲劳特性结果,Imig和Illg用飞—续—飞载荷谱研究温度对钛合金缺口试件疲劳寿命的影响等。

20世纪70年代开始,引起人们对飞—续—飞载荷谱和飞行模拟试验的广泛重视。1970年,荷兰宇航实验室(NLR)在对F-28机翼疲劳试验时施加了飞—续—飞载荷谱。1969年到1973年,西德工业设备经营有限公司(IABG)对F-104G进行了全机飞—续—飞载荷谱的飞行模拟试验。1972年,荷兰疲劳权威J.Schijve发表了权威性论文“飞机材料和结构的累积疲劳损伤”,该文在综述飞机材料和结构的有关疲劳问题的同时,对飞—续—飞载荷谱和相应的飞行模拟试验进行了全面的理论分析,并强调指出,对飞机结构应该编制飞—续—飞载荷谱和进行飞行模拟试验。尔后,美国、英国、澳大利亚、日本等西方发达国家都在逐步采用飞—续—飞谱对试件、元件、部件和全机进行飞行模拟试验。就部件和全机而言,例如,英国皇家航空研究院(RAE)1973年对协和号飞机和鹰式飞机、澳大利亚航空研究实验室(ARL)于20世纪70年代中期对幻影Ⅲ飞机机翼、日本防卫厅技术研究本部1974年对中型运输机C-1、1975年对高级教练机T2等,都是编制飞—续—飞载荷谱进行飞行模拟试验。至于用试件或元件进行飞—续—飞载荷谱研究和试验的例子就更多了。

不仅如此,在西欧一些国家各自研究的基础上,彼此进行合作,还研究出了标准的飞—续—飞载荷谱。对以阵风载荷为主的运输机,荷兰NLR和西德操作强度实验室(LBF)于1973年研究出了运输机标准的飞—续—飞载荷谱TWIST。对于以机动载荷为主的战斗机,荷兰NLR、西德LBF、西德IABG和瑞士F+W四个单位合作,于1975年研究出了战斗机标准的飞—续—飞载荷谱FALSTAFF,并已用于评定飞机疲劳性能的某些专门研究中。

美国在这个领域里的研究是集大成者。首先,美国的有关军用规范和军用标准,如美国国防部于1974年公布的损伤容限规范MIL-A-83444、于1975年颁布的飞机结构完整性大纲MIL-STD-1530A,以及1975年颁布的耐久性规范MIL-A-008866B等,都要求承包商提供飞—续—飞载荷谱,并进行飞行模拟试验。为了满足规范要求,自20世纪70年代以来,无论是新设计飞机,或者是使用中的现役飞机,战斗/攻击型飞机如F-14、F-15、YF16、A-4;轰炸/运输型飞机如B-1、B-52D、C-5A、C-141;空中警戒指挥机(AWACS)等,都是编制飞—续—飞载荷谱,并进行损伤容限和耐久性评定。

不仅如此,美国在对飞—续—飞载荷谱的编制方面更是有自己的独到之处,各有关部门形成了各自的一套完整方法,把编制飞—续—飞载荷谱提到一个完全崭新的水平。

(1)1976年,北大西洋公约组织国家结构和材料委员会组织有关专家编写的关于战斗机疲劳设计的指导性手册中,特请美国俄亥俄州兰特帕特森空军基地的A.Landy等几位工程专家撰写《疲劳和裂纹扩展分析载荷谱的编制》专论,并且,A.Landy等人还于1976年和1979年相继发表《美国空军飞机载荷谱的编制》等文章。这些文章已成为人们编制飞—续—飞载荷谱的指导性文件。

(2)1979年,美国得克萨斯州达拉斯伏沃特公司结构寿命管理局工程专家N.H.Sandlin等人,从对载荷(应力)和飞行参数进行回归分析入手,提出了编制具有飞—续—飞性质的战斗机飞行载荷谱FLESPEC的一整套方法。

(3)1979年,美国加利福尼亚埃尔塞贡多的洛克韦尔国际公司技术处成员A.G.Denyer报道了编制具有变后掠翼的新型超音速战略轰炸机B-1飞—续—飞载荷谱的最新方法。

美国在以上几方面从不同角度和不同机种所提出的编制飞—续—飞载荷谱的方法,目前在世界上也是一流水平,是当时这一领域内的最高成果。

20世纪70年代到80年代初,是国外飞机载荷谱领域蓬勃发展的时期,从20世纪80年代到21世纪初,国外飞机载荷谱领域进入了一个稳定发展时期。1998年10月30日,美国国防部颁布了联合使用规范指南《飞机结构》。该规范规定了分别编制耐久性设计使用载荷谱和损伤容限设计使用载荷谱要求,并明确规定耐久性设计使用载荷谱反映设计使用分布内的严重使用情况,损伤容限设计使用载荷谱反映设计使用分布内的基准使用情况。这意味着美国飞机载荷谱领域在21世纪开始又进入了一个新的发展时期。

1.5.2 迅速发展的原因

如前所述,尽管在20世纪60年代人们就开始探索飞—续—飞载荷谱和飞行模拟试验,但在70年代才引起人们的广泛重视。从70年代初到80年代这短短的十来年,飞—续—飞载荷谱的研究获得了迅速的发展,在飞机疲劳/耐久性/损伤容限试验和疲劳/断裂分析中得到了广泛的应用,大有代替传统的程序块谱的趋势。

为什么飞—续—飞载荷谱在那短短十来年会获得如此迅速的发展呢?

任何一种新技术的产生、发展和应用,都是以现实的需要和实际的可能这两者作为基本前提条件的,飞—续—飞载荷谱的研究也不例外。

载荷谱的编制与飞机设计准则的选择有密切关系。静强度设计不涉及疲劳强度,也就谈不上编制载荷谱。安全寿命设计涉及疲劳范畴,可编制等幅载荷谱或程序块谱。损伤容限设计和耐久性设计涉及断裂力学范畴,需要编制飞—续—飞载荷谱。

就世界范围来说,20世纪50年代以前的飞机,基本上是按静强度设计的。1954年,英国两架彗星1号飞机相继因疲劳而机毁人亡,在全世界航空界引起震惊,伴随阵痛而来的是新的设计思想——安全寿命设计思想的产生。因此,从20世纪50年代后期到整个60年代,全世界航空工业发达的国家除用静强度准则设计飞机外,还逐步用安全寿命思想进行飞机设计。

随着军备竞赛的日益尖锐和航空工业的不断发展,人们对现代飞机,特别是现代战斗机的战术性能要求不断提高,飞机结构型式更加复杂,飞机所受的疲劳载荷也就更加严重。另一方面,由于现代飞机的成本越来越高,人们也就尽可能想要提高飞机的使用寿命,对战术飞机来说,其使用寿命要求可高达8000飞行小时,这样,因飞机疲劳所带来的矛盾也就更加尖锐和突出。飞机如果仅按安全寿命思想设计,就往往不能保证飞机的安全。最为典型的例子是1969年美国F-111飞机因断裂而造成的灾难性事故。

F-111是美国通用动力公司20世纪60年代初期生产的一种高速战斗机,设计思想是以静强度为主,并与安全寿命思想相结合。最大速度为M=2.5,设计限制过载为7.33g,设计使用寿命为4000飞行小时。1969年12月,一架F-111飞机在美国维什康西州Nellis空军基地进行低空投弹试飞,飞行过载为3.5g,飞行中,突然左翼断裂,飞机滚转,飞行员弹射出来,但由于降落伞没打开而摔死。该架飞机实际上只飞了104.6飞行小时,离预计的使用寿命还差得很远,为什么机翼枢轴会突然断裂呢?从疲劳的观点是无法解释的。经专家们对飞机残骸进行分析,发现飞机从制造厂出来就带有初始裂纹,这正是断裂力学观点。因此,1969年12月是美国飞机应用断裂力学的里程碑。

伴随着阵痛而来的是美国飞机设计思想的革命性变革。从20世纪70年代初期开始,美国在原有的安全寿命设计思想的基础上探索新的设计思想——损伤容限和耐久性设计思想,并以军用规范和军用标准的形式把这些设计准则固定下来,因此,美国是世界上最早把断裂力学应用于飞机设计的国家。

设计思想的更替对载荷谱的编制提出了更高要求,损伤容限和耐久性设计要求编制能反映飞机真实使用情况的复杂的载荷谱,换句话说,要用随机的飞—续—飞载荷谱代替人为简化了的程序块谱。

断裂力学是20世纪70年代以来获得迅速发展的一门新兴学科,它的兴起和发展大大促进了飞—续—飞载荷谱的研究。这是因为,一方面,损伤容限和耐久性设计准则是以断裂力学作为理论基础的;另一方面,断裂力学本身的研究直接促进了飞—续—飞载荷谱的研究。例如,应力相互作用和高载效应对裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命有很大影响,试验研究指出,一个高峰值载荷顺序从正到负变成从负到正,其试件寿命差4倍,长周期程序块谱的寿命可为随机谱寿命的6倍。在一般情况下,载荷顺序和块的大小可使寿命相差两倍多。这些研究结果告诉我们,在编制载荷谱时,不仅要考虑载荷大小和出现频数,还应考虑载荷出现的真实顺序,传统的程序块谱不能较好地满足这些要求,而飞—续—飞载荷谱正好在这三方面都能较好地模拟飞机实际的载荷历程。因此,飞—续—飞载荷谱在那个时代的迅速发展是应用断裂力学研究成果的必然结果。

20世纪70年代以来,电—液压伺服控制系统的广泛使用为飞—续—飞载荷谱的研究和应用开辟了广阔的前景。飞—续—飞载荷谱不能在一般的疲劳试验机上进行试验,它必须在专用的电—液压伺服控制系统上进行,这种系统用计算机进行控制,既可作程序试验,又可作随机试验。这种系统尽管在20世纪60年代就问世了,但获得广泛使用还是70年代以后的事。目前,国外已有各种不同的系列和型号,既有作全机或部件试验用的大型系统,也有作元件或试件用的中、小型试验机。这样的控制系统目前我国从20世纪80年代已有引进,如从美国引进的MTS系统,从日本引进的日立80,以及从德国森口公司引进的PC160N等。

综上所述,20世纪70年代以来,设计思想的更替和断裂力学的兴起和发展从现实需要方面大大促进了飞—续—飞载荷谱的发展,电—液压伺服控制系统的广泛使用从实际可能方面为飞—续—飞载荷谱的研究和应用提供了可靠保证。这就成为飞—续—飞载荷谱在20世纪70年代到80年代能获得迅速发展的主要原因。

1.5.3 国内发展概况

新中国成立以来,我国的航空工业走过了一条从仿制到自行设计的道路。20世纪80年代以前国内服役的飞机,军用飞机大部分都是仿制的,小部分是外购的,还有少部分是国外飞机的改型设计;民用飞机则全是外购的。无论是哪种类型的飞机,当时大部分都是20世纪50年代至60年代按静强度准则设计的,没有使用寿命指标;即使少部分按安全寿命准则设计的国外进口飞机,也只有一个总的使用寿命指标,没有具体的相关资料,而这些当时服役的飞机,有的已出现各种问题,如局部裂纹、部分构件功能失效等;有的已飞行几千飞行小时,究竟这些飞机能够飞行多长时间,一片茫然,即使少数有使用寿命指标的服役飞机,由于缺少相关资料,它们何时检修,如何检修,是否可延寿等,也是心中无数。诸如此类问题,归结到一点,就是亟待解决这些服役飞机的定寿延寿问题。

另一方面,20世纪50年代末期我国就着手开始自行设计飞机,刚开始的自行设计飞机仍然是按静强度设计准则来设计的(如强5、歼8等)。到了70年代就开始考虑疲劳强度,增加了安全寿命设计准则(如歼轰7等);即使一开始按静强度设计的飞机,到后来也要进行疲劳分析。因此,我国自行设计的飞机都存在一个飞机定寿问题。

无论是我国当时服役的飞机,还是自行设计的飞机,都要确定飞机结构的使用寿命。要定寿,首先就要解决载荷谱问题。载荷谱如何实测?要编制什么样的载荷谱?如何编制实测载荷谱和设计使用载荷谱?如何用载荷谱进行疲劳/耐久性/损伤容限试验和分析?这些问题都亟待解决。

1.飞机载荷谱实测

国内飞机载荷谱实测始于20世纪60年代,空军航空所(原空一所)为解决米格15飞机延寿问题,从1965年开始进行了载荷谱实测工作,当时选用CΠ-11单向过载自记器用部队一架现役飞机完成了约32个起落的单参数载荷谱实测,由此编制了该飞机试验谱进行了相应的疲劳试验,解决了该机延寿问题。几乎同时,飞行试验研究院在国内率先开展了飞机载荷谱飞行试验多参数实测技术研究,当时用的飞行试验研究院一架歼6飞机进行参数法载荷谱实测,实测了十几个飞行参数和平尾、垂尾的载荷,并编制了相应的载荷谱,这是当时国内载荷谱多参数飞行实测和编制的最早尝试和探索。紧接着在20世纪70年代初,根据当时空军在轰5使用中发现发动机架和发动机撑杆出现的疲劳裂纹,飞行试验研究院开展了轰5发动机架和发动机撑杆载荷谱实测工作,用的一架部队现役轰5飞机进行应变法载荷谱实测,这是当时国内首次开展的应变法载荷谱实测工作。当时在被试的发动机架和发动机撑杆相应位置上粘贴了若干应变计,经过实验室载荷标定试验,用回归分析方法获得了载荷方程。通过飞行实测,编制了轰5发动机架和发动机撑杆载荷谱并使之用于相应的疲劳试验,根据试验结果采取措施,解决了轰5飞机外场使用的疲劳问题。

从20世纪70年代开始,在航空工业部门和使用部门的共同领导和组织下,我国各种服役飞机陆续开展了载荷谱实测工作。到目前为止的40年期间,除客机外,几乎所有服役过的和现役的飞机都开展过载荷谱实测工作,实测过载荷谱的飞机不少于30个机型(含改型)。40多年来,我国飞机载荷谱实测工作经历了如下发展过程。

(1)载荷谱飞行实测的飞机种类和机型繁多,既有进口飞机,又有国产飞机;既有当时没有使用寿命指标的20世纪50年代、60年代生产的老式飞机,又有有使用寿命指标的21世纪初生产的现代飞机;既有军用飞机,又有民用飞机;既有小型战斗机(歼击机、强击机等),又有中、大型运输机和轰炸机;在安排飞行实测的飞机中,既有在服役部队或使用部门专门选一架正在服役的飞机,也有从生产线上专门选一架飞机进行架内和架外改装后进行载荷谱飞行实测。

(2)载荷谱飞机实测的参数由少到多,由简到繁。从20世纪60年代起,一些单位一开始用当时某些飞机上带有的单参数(过载)或三参数记录仪(速度、高度、过载)来实测并搜集有关数据,发展到十几个、几十个、甚至几百个参数的载荷谱飞行实测。测试参数既包括反映一般飞行状态的飞行参数(速度、高度、迎角等),又包括反映疲劳受载情况的载荷响应参数(三向线加速度、三向角速度、三向角加速度等);既包括飞行参数和响应参数,又包括某些活动部件的运动参数(如操纵面偏角等);既包括与疲劳损伤有关的参数,有时还包括腐蚀损伤或腐蚀疲劳有关的参数(温度、湿度、大气腐蚀环境参数、结构腐蚀环境参数等)。

(3)载荷谱飞行实测的飞机结构部件由少到多,由简到繁。在20世纪60年代至70年代,主要是围绕编制飞机法向重心过载谱来进行载荷谱飞行实测,重心过载谱有两个突出优点:一是它能从整体上基本反映该飞机的疲劳受载情况;二是它与机翼或翼身组合体的载荷谱有强相关关系,因此,它能基本上反映翼身组合体的疲劳受载情况,通过它能比较方便导出机翼或翼身组合体载荷谱。然而,很难甚至不能直接由重心过载谱导出尾翼谱、前后机身谱、起落架谱等,即使由重心过载谱导出的机翼谱或翼身组合体谱也具有较大的误差,因此,除实测重心过载谱外,还应实测飞机主要部件的载荷谱,于是,从20世纪70年代中后期开始,各有关单位就开始用应变法开展飞机主要部件的载荷谱实测工作,刚开始是机翼、尾翼、起落架载荷谱实测,后来发展到飞机的几乎所有主要承力部件、构件和系统。例如,21世纪初进行的某型飞机载荷谱实测,实测的结构件包括左右机翼、机身、平尾、垂尾、起落架、活动翼面、操纵系统、座舱盖等共约20多个部件、构件和系统。

(4)载荷谱飞行实测方法由单一方法到几种方法并用。在20世纪60年代至70年代,几个机种载荷谱实测基本上是参数法实测,而且实测的参数很少,然后根据实测的参数导出有关结构的载荷和载荷谱。从20世纪70年代开始,有关单位(主要是试飞院)就开始尝试用应变法来实测飞机结构载荷和载荷谱,最初是实测简单构件的载荷谱(如发动机架和撑杆)发展到实测复杂结构的载荷谱(如机翼、机身、起落架、尾翼),进而发展到用应变法测飞机几乎所有受力构件的载荷谱,上例提到的21世纪初某型号的几乎所有受力构件的载荷谱实测,就是用应变法实测全机载荷谱的典型实例。不仅如此,该型飞机还把载荷谱实测的参数法和应变法很好地结合使用,取得了明显的效果。

(5)载荷谱飞行实测的测试仪器和设备由简大粗到高精尖。20世纪60年代至70年代,用于空测载荷谱的测试仪器由机械式划针或光学示波器来采集记录数据,并由人工判读和计算器或手摇式计算机进行数据处理,后来发展到用模拟磁记录系统、数字式磁带记录系统和磁光盘式记录系统来采集记录数据,用大容量数字计算机来处理数据,再后来发展到带记忆功能的数字式存储器(如固态存储器)来记录数据,并可实时处理数据。传感器系统和记录器系统到目前为止已变得小型化和模块化,数据处理也完全自动化。20世纪70年代,处理一个起落的载荷谱实测数据需要一个星期,现在只需要几十分钟。

2.飞机载荷谱编制

飞机载荷谱编制包括飞机设计使用载荷谱的编制和飞机实测载荷谱的编制。无论哪一类载荷谱的编制,都存在一个载荷谱编制通用的基本方法。从20世纪70年代,国内载荷谱实测和编制的实际情况出发,参考国外载荷谱编制的方法,80年代初,本书主笔提出了编制飞机使用载荷谱通用的基本方法——任务分析法,后来把这一方法的主要内容编入了GJB67.6—85《军用飞机强度和刚度规范 可靠性要求和疲劳载荷》的使用说明中,80年代以后的国内各个型号的使用载荷谱(设计谱和实测谱)基本上都是按照这一基本方法来编制的。

1)飞机实测载荷谱编制

自20世纪60年代以来,我国飞机定寿主要是从当时的服役飞机开始的,飞机载荷谱的编制也主要是从实测载荷谱开始的。如何用任务分析法来编制实测载荷谱呢?

编制实测载荷谱首先碰到的一个重要问题是用什么计数法来统计实测的载荷时间历程,当时搜集到国外用于编谱的计数法有十几种,并且都尝试过用它们来计数统计实测的载荷时间历程,但究竟哪种计数法更好,心中把握不大。20世纪70年代末,当时的航空工业部主管部门组织630所(现中国飞行试验研究院)、621所(现航空材料研究院)、北京航空航天大学和西北工业大学四个单位开展“飞机载荷谱计数法及其简化原则”专题研究,通过用各种计数法及其简化原则编制了各种不同的载荷谱,并用实测的原始随机谱和据此编制的各种载荷谱进行寿命估算和对比疲劳试验,经分析后认定基于雨流法的双参数循环计数法是各种计数法之冠。于是,自80年代以来,国内各个型号的实测载荷谱基本上都是用基于雨流法的双参数循环计数法统计载荷时间历程的。

在飞机实测载荷谱具体编制方法方面,在20世纪90年代之前,各有关机种基本上都是用传统均值载荷谱编制方法,该方法按任务分析法编谱思路,对各个飞行起落的载荷峰谷值进行计数统计后,载荷大小和频数均取各载荷区间的平均值,用这种编谱方法编制了各有关机种的实测载荷谱,然后把这种实测谱转换成用于疲劳分析的局部应力谱和用于疲劳试验的试验谱。对于试验谱和应力谱,在20世纪70年代到80年代,各个型号的疲劳试验和疲劳分析大部分都是简化成程序块谱,这种程序块谱大部分按变均值简化原则简化的,也有按常均值简化的(如阵风载荷)。用这样的分析谱去进行疲劳分析和用这样的试验谱进行疲劳试验,基本上满足了当时各有关型号服役飞机结构的定寿延寿要求。

20世纪80年代中后期开始,各有关试验单位陆续引进了多点协调加载的电液压伺服加载试验设备,使全尺寸飞机结构进行飞—续—飞疲劳/耐久性/损伤容限试验由可能变成现实。从20世纪80年代后期开始,各有关型号飞机就陆续用飞—续—飞形式的实测谱或设计谱来进行疲劳/耐久性试验和分析,进而确定或验证飞机结构使用寿命,这一进程一直延续到现在。

尽管用传统均值谱编制方法能基本满足当时飞机实测载荷谱编制和飞机定寿延寿的需要,但这种编谱方法也有其自身固有的缺点,如载荷大小和频数均取各个载荷区间的平均值使其载荷有一定失真度,经计数处理后失去了载荷顺序和载荷状态的有关信息,针对这些缺点,20世纪90年代初,著名飞机结构寿命和可靠性专家张福泽院士提出了编制飞机实测载荷谱的代表起落随机载荷谱编制方法,该方法把实测载荷谱编制直接与飞机疲劳损伤联系起来,既克服了传统均值载荷谱编制方法的缺点,又能直接编制出以飞—续—飞形式给出的随机载荷谱用于疲劳/耐久性试验和分析,而且该编谱方法还简单易行,便于编谱,便于使用。该编谱方法于90年代初,最先用于歼X飞机实测重心过载谱的编制。后来经过进一步充实和完善,该方法已成为一种最有发展前途的先进的实测载荷谱编制方法,从90年代中期到现在各种飞机机体实测载荷谱,大部分是用这种方法编谱,取得了巨大的经济效益和社会效益。

代表起落随机载荷谱编制方法的提出、实践、完善、再实践,和由此带来的巨大的经济效益和社会效益,使我国飞机实测载荷谱编制跨越了一大步,上了一个新台阶,不仅在国内,而且在世界上也是属于该领域的领先水平,在某种程度上具有里程碑意义。

2)飞机设计使用载荷谱编制

我国飞机具有自主知识产权的完全自行设计基本上始于20世纪50年代末期,但当时的自行设计飞机主要是用静强度设计准则,70年代中后期,我国自行设计的飞机开始考虑用安全寿命设计准则,并对以前静强度设计的飞机用安全寿命准则进行事后补课,因此,我国飞机设计使用载荷谱的编制基本上始于70年代中后期,比飞机实测载荷谱的编制稍晚一些。

20世纪70年代中后期,我国型号飞机设计使用载荷谱编制的数据主要来自美国军用规范MIL-A-8866中所提供的数据。后来,随着国内各型号飞机实测载荷谱的日益累积,某些实测数据也用于新飞机的设计使用载荷谱编制。到90年代,随着飞行模拟台及大容量高速电子计算机在飞机结构设计中的应用,某些现代高性能飞机用飞行模拟和数字仿真所获得的数据来编制飞机设计使用载荷谱。

基于编制飞机使用载荷谱的任务分析法和实测载荷谱编制方法,总结我国一些飞机设计使用载荷谱编制的实践经验,提高归纳后本书提出了编制飞机设计使用载荷谱的四种方法:规范谱分析法、类比分析法、飞行模拟法和综合分析法。这些方法在我国一些飞机的设计使用载荷谱编制中都得到了具体应用,取得了很好的效果。

3.飞机载荷谱专题研究

为了满足当时我国飞机自行设计和研制的要求,也为了配合当时众多服役飞机型号定寿延寿工作,20世纪70年代末到21世纪初20多年期间,在当时航空工业主管部门的领导、组织和协调下,由飞行试验研究院牵头,集中当时国内飞机强度专家和工程技术人员,开展了飞机强度规范研究工作,项目名称简称为“ASST系统工程”。涉及飞机结构静、动、疲、热四大载荷和强度专业,飞机载荷/环境谱专题研究是其中一项重要研究内容。参加该系统工程的单位有十几个,包括主机厂所、专门研究机构和航空院校,参加人员常年约70余人,最多时达200人左右,既有资深的专家和教授,也有年青科技人员;既有从事理论研究和应用研究的科研人员,也有从事飞机结构研制的工程技术人员;既有侧重于从事结构设计和强度分析的人员,也有侧重于结构试验(包括地面试验和飞行试验)的工程技术人员。通过多年研究,取得了一系列重要研究成果,既解决了飞机研制和使用中的重大技术问题,又为飞机强度规范的制定和修订提供了依据和背景材料。就飞机载荷谱专题研究领域来说,这20年期间取得的重要研究成果包括:

(1)飞机载荷谱计数法及简化原则研究;

(2)飞机机动载荷谱实测及编制技术研究;

(3)飞机飞—续—飞载荷谱研究;

(4)飞机尾翼载荷谱实测及编制技术研究;

(5)运输机阵风载荷谱实测统计和编制技术研究;

(6)飞机离散阵风和连续阵风模型研究;

(7)飞机起落架载荷谱实测及编制技术研究;

(8)飞机跑道不平度统计实测及统计分析研究;

(9)飞机下沉速度谱实测及编制技术研究;

(10)战斗机标准载荷谱研究;

(11)运输机标准载荷谱研究;

(12)飞机地面载荷标准谱研究;

(13)飞机疲劳载荷监控技术研究;

(14)单机使用寿命监控技术研究;

(15)新机定型试飞阶段实测载荷谱编制技术研究等。

飞机载荷谱专题研究大部分课题都是结合当时的型号飞机定寿延寿开展的,所取得的上述研究成果既解决了当时国内众多飞机载荷谱实测、编制和飞机定寿延寿中的重大技术问题,又为GJB67.6—85《军用飞机强度和刚度规范 可靠性要求和疲劳载荷》的制定和规范的执行了提供依据。

跨入21世纪后,飞机载荷谱研究工作并没有终止,继续开展了一些研究课题并取得了相应成果,如代表起落随机载荷谱深化研究、基于外场大子样的飞机实测载荷谱编制技术研究、编制飞机设计使用载荷谱的类比分析法研究等。

40多年来,国内飞机载荷谱研究、实测和编制从无到有,从小到大,从各自分散行事到统一组织集团军式作战,取得了丰硕成果。但事物的发展是永无止境的,该领域的前面还有许多问题等着我们去解决,例如,当前比较突出的一个问题就是飞机耐久性设计使用载荷谱和损伤容限设计使用谱载荷谱编制问题,特别是反映飞机严重使用情况的耐久性使用载荷谱如何编制等。

4.飞机环境谱和载荷-环境谱研究

从20世纪70年代开始,特别是80年代以来,随着现代飞机对使用寿命要求越来越高,特别是随着飞机在使用中暴露出来的腐蚀和腐蚀疲劳问题越来越严重,腐蚀环境下飞机使用寿命的确定和延寿就变成一个亟待解决的重要问题,而如何编制环境谱和载荷—环境谱又是重中之重。

国内对飞机结构腐蚀疲劳定寿研究较晚,基本上起于20世纪80年代中后期。当时主要从以下两个方面开展了该领域的基础研究和应用研究工作。

(1)在当时航空工业主管部门的领导、组织和协调下,由科研单位、设计单位和院校联合开展了飞机使用环境谱和载荷—环境谱编制研究、飞机当量环境谱研究等专题研究,提出了编制飞机使用环境谱的任务—环境分析法,提出了当量环境谱编制方法,提出了飞机载荷—环境谱编制方法,并把这些编谱方法用到了相应的型号研制和现役飞机的定寿延寿中。

(2)针对某些现役飞机的腐蚀和腐蚀疲劳严重问题编制了相应的飞机环境谱和载荷-环境谱,并且用这些谱进行相应的寿命分析和试验,解决了这些服役飞机的腐蚀疲劳定寿延寿问题。例如,20世纪90年代前后的水轰5飞机和新旧世纪交替年代(2000年)的歼×系列飞机,都因腐蚀问题严重威协着这些飞机的使用寿命。在当时主管部门的组织和协调下,以设计单位为主开展了这些飞机的使用寿命评定工作。首先是分别编制了这些飞机的使用环境谱、当量环境谱和载荷—环境谱,并用这些谱进行了相应的寿命分析和试验,达到了预期效果,既解决了这些飞机腐蚀和腐蚀疲劳定寿问题,又摸索出了一套针对具体型号飞机的载荷/环境谱编制方法和腐蚀环境条件下的疲劳定寿途经。

近20年来,国内尽管在飞机结构载荷/环境谱研究及腐蚀环境下飞机使用寿命研究领域取得了可喜的成绩,但该领域的研究特别是应用研究还仅仅是开始,离现代飞机的长寿命、高可靠性的高标准要还差得很远,离新国军标对新机载荷/环境谱编制要求和使用寿命设计及验证要求还差得很远,有待加大人力、物力和财力进行更深入的研究。 V7HQrhE/FCAq2tFEPScLRQmPTtESHbgFsWQ8JFCBrHjGlloZjIWs/yKnwqyEToLq

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