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阵风载荷谱的损伤分散性研究

朱俊贤 贺小帆 李玉海

朱俊贤, 贺小帆, 李玉海等 . 阵风载荷谱的损伤分散性研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(10): 2129-2137. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0348
引用本文: 朱俊贤, 贺小帆, 李玉海等 . 阵风载荷谱的损伤分散性研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(10): 2129-2137. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0348
ZHU Junxian, HE Xiaofan, LI Yuhaiet al. Damage variation of gust load spectra[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(10): 2129-2137. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0348(in Chinese)
Citation: ZHU Junxian, HE Xiaofan, LI Yuhaiet al. Damage variation of gust load spectra[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(10): 2129-2137. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0348(in Chinese)

阵风载荷谱的损伤分散性研究

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0348
基金项目: 

国家自然科学基金 11772027

航空科学基金 201909051002

详细信息
    通讯作者:

    贺小帆, E-mail: xfhe@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V215.5

Damage variation of gust load spectra

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 11772027

Aeronautical Science Foundation of China 201909051002

More Information
  • 摘要:

    载荷谱的分散性是影响机群疲劳可靠性寿命的重要因素,阵风载荷是运输类飞机重要的损伤来源。为研究运输类飞机阵风载荷谱的损伤分散性,基于离散阵风模型,对调研得到的多个运输机型号的实测阵风速度超越数数据进行了统计分析;假定指定阵风速度下的超越数服从对数正态分布,建立了阵风速度超越数的分散性模型。采用Monte Carlo方法抽样得到单机阵风速度超越数曲线,得到单机随风载荷过载谱,计算得到单机阵风载荷谱损伤,对机群的阵风载荷谱损伤分散进行了研究,结合3个机型的使用剖面进行了算例分析。结果表明:运输类飞机的阵风载荷谱损伤服从对数正态分布,分散性取值与使用剖面密切相关。

     

  • 图 1  Ude超越数曲线族

    Figure 1.  Family of Ude exceedance curves

    图 2  阵风速度超越数的μσ拟合结果

    Figure 2.  μ and σ fitting results of gust velocity exceedances

    图 3  任务剖面损伤分布

    Figure 3.  Distribution of flight profiles damage

    表  1  实测阵风速度超越数数据信息

    Table  1.   Information of measured gust velocity exceedance data

    组织 型号 飞机起落次数 飞行时间/h 航程/n mile
    KSSU B747[21] 24 358 121 893 56 747 773
    A320[22] 10 066 30 817 13 052 670
    B737-400[23] 11 721 19 105 5 244 686
    B767-200ER[24] 1 285 9 164 3 798 859
    FAA B777-200ER[25] 10 047 67 000 30 502 553
    BE1900D[26] 903 585 136 440
    ERJ145XR[27] 47 273 88 305 34 747 170
    MD82/83[28] 3 978 7 120 2 672 975
    注:1n mile=1.852 km;B747的原始数据以增量超越数ΔN的形式给出。由于重心过载计数的门槛值为0.18g,导致小Ude值的ΔN计数并不准确,本文将该部分数据剔除。
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    表  2  A400M飞机基本参数

    Table  2.   Basic parameters of A400M aircraft

    参数 翼展/m 长度/m 高度/m 机翼面积/m2 使用空重/kg
    数值 41.4 42.0 14.5 221.5 66 500
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    表  3  A400M飞机典型使用剖面

    Table  3.   Typical flight profile of A400M aircraft

    任务段 高度/(103 ft) 质量/kg 指示空速/(n mile·h-1) Ma 距离/n mile
    初期爬升 0.25 137 615 324.1 0.286 0.3
    0.48 137 103 333.3 0.288 0.3
    0.70 137 103 342.6 0.288 1.3
    1.2 137 103 370.4 0.34 1.5
    爬升 1.5 137 103 407.4 0.342 9.9
    6.0 137 103 407.4 0.370 51.9
    20.0 129 250 463 0.547 74.6
    巡航 30.0 121 250 472.2 0.68 1 044
    30.0 107 000 472.2 0.68 721.4
    30.0 102 588 472.2 0.68 1 079.4
    下降 20.0 102 588 463 0.54 72.4
    6.0 102 588 407.4 0.3 11.7
    接近 1.5 101 910 325.9 0.277 3.6
    1.4 101 910 262.9 0.229 0.5
    1.3 101 910 262.9 0.228 0.2
    0.65 102 588 262.9 0.225 3.8
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    表  4  简化的A400M飞机使用剖面

    Table  4.   Simplified flight profile of A400M aircraft

    任务段 高度/(103 ft) 距离/n mile 质量/kg ve/(m·s-1) C
    1 离场 0.87 3.4 137 171 97.9 4.70
    2 爬升1 1.5 9.9 137 103 113.2 4.73
    3 爬升2 6 51.9 137 103 113.2 4.76
    4 爬升3 20 74.6 137 103 126.1 5.08
    5 巡航 30 2 844.8 117 872 127.0 5.46
    6 初期下降 20 72.4 102 588 128.1 5.07
    7 后期下降 6 11.7 102 588 113.2 4.69
    8 接近 1.089 8.1 102 211 80.8 4.66
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    表  5  P3C飞机基本参数

    Table  5.   Basic parameters of P3C aircraft

    参数 翼展/m 长度/m 高度/m 机翼面积/m2 使用空重/kg
    数值 30.37 35.61 10.27 120.8 27 216
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    表  6  P3C飞机任务段典型参数值

    Table  6.   Typical parameter values of mission segment of P3C aircraft

    任务段 高度/(103 ft) 距离/n mile 质量/kg ve/(m·s-1) C
    1 爬升1 8.9 134.8 61 917 108.0 4.77
    2 巡航1 17.9 717.6 58 086 107.5 4.87
    3 下降1 11.9 73.2 54 642 133.5 4.96
    4 搜索 6 575.8 51 804 128.6 4.83
    5 下降2 3.5 34.7 49 088 133.8 4.83
    6 攻击 1 270.8 47 875 154.3 4.90
    7 爬升2 16.3 192.1 45 911 106.6 4.84
    8 巡航2 31.7 1 071.6 41 691 118.7 5.41
    9 下降3 15.8 37.4 38 223 132.0 5.03
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    表  7  B767-200飞机基本参数

    Table  7.   Basic parameters of B767-200 aircraft

    参数 翼展/m 长度/m 高度/m 机翼面积/m2 使用空重/kg
    数值 47.6 48.5 15.8 283.3 80 423
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    表  8  B767-200飞机任务段典型参数值

    Table  8.   Typical parameter values of mission segment of B767-200 aircraft

    任务段 高度/(103 ft) 距离/n mile 质量/kg ve/(m·s-1) C
    1 离场 0.87 2.7 111 132 95.2 4.68
    2 初期爬升 1.5 7.8 110 678 128.6 4.80
    3 爬升 6 66.0 109 318 151.2 5.20
    4 巡航 20 249.0 107 503 152.3 5.98
    5 初期下降 30 60.0 106 142 182.1 5.57
    6 下降 20 7.1 106 142 128.6 4.80
    7 接近 6 4.9 106 142 83.3 4.66
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    表  9  使用剖面的载荷谱损伤分布特性检验

    Table  9.   Distribution characteristic test of load spectra damage of flight profile

    型号 r
    对数正态分布 威布尔分布 指数分布
    A400M 0.974 0.904 0.914
    P3C 0.986 0.919 0.989
    B767-200 0.997 0.951 0.963
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    表  10  使用剖面的载荷谱损伤分布参数

    Table  10.   Distribution parameters of load spectra damage of flight profile

    型号 μlg D σlg D Dave
    A400M 5.004 0.175 1.00×105
    P3C 6.34 0.287 2.19×106
    B767-200 5.989 0.161 9.75×105
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    表  11  A400M飞机任务段损伤分布特性检验

    Table  11.   Distribution characteristic test of load spectra damage of mission segments of A400M aircraft

    任务段 高度/(103 ft) r
    对数正态分布 威布尔分布 指数分布
    离场 0.87 0.999 0.957 0.91
    爬升1 1.5 0.997 0.95 0.884
    爬升2 6 0.998 0.968 0.99
    爬升3 20 0.999 0.956 0.918
    巡航 30 0.999 0.955 0.992
    初期下降 20 0.999 0.958 0.959
    后期下降 6 1.000 0.967 0.993
    接近 1.089 0.998 0.955 0.733
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    表  12  P3C飞机任务段损伤分布特性检验

    Table  12.   Distribution characteristic test of load spectra damage of mission segments of P3C aircraft

    任务段 高度/(103 ft) r
    对数正态分布 威布尔分布 指数分布
    爬升1 8.9 1.000 0.966 0.989
    巡航1 17.9 1.000 0.967 0.989
    下降1 11.9 1.000 0.968 0.993
    搜索 6 1.000 0.968 0.983
    下降2 3.5 1.000 0.966 0.922
    攻击 1 0.997 0.952 0.866
    爬升2 16.3 1.000 0.967 0.985
    巡航2 31.6 0.999 0.957 0.993
    下降3 15.8 1.000 0.968 0.989
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    表  13  B767-200飞机任务段损伤分布特性检验

    Table  13.   Distribution characteristic test of load spectra damage of mission segments of B767-200 aircraft

    任务段 高度/(103ft) r
    对数正态分布 威布尔分布 指数分布
    离场 0.87 0.997 0.953 0.843
    初期爬升 1.5 1.000 0.965 0.951
    爬升 6 1.000 0.967 0.992
    巡航 20 0.999 0.958 0.993
    初期下降 30 1.000 0.965 0.951
    下降 20 1.000 0.966 0.977
    接近 6 0.997 0.95 0.71
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    表  14  A400M飞机任务段的载荷谱损伤分布参数

    Table  14.   Distribution parameters of damage of load spectra of mission segments of A400M aircraft

    任务段 高度/(103ft) μlg D σlg D dseg.ave
    离场 0.87 0.364 3.892 7.80×103
    爬升1 1.5 0.366 4.505 3.20×104
    爬升2 6 0.28 3.635 4.32×103
    爬升3 20 0.19 4.313 2.05×104
    巡航 30 0.19 4.313 2.05×104
    初期下降 20 0.285 3.403 2.53×103
    后期下降 6 0.286 3.012 1.03×103
    接近 1.089 0.369 3.815 6.53×103
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    表  15  P3C飞机任务段的载荷谱损伤分布参数

    Table  15.   Distribution parameters of damage of load spectra of mission segments of P3C aircraft

    任务段 高度/(103 ft) μlg D σlg D dseg.ave
    爬升1 8.9 0.282 4.44 2.75×104
    巡航1 17.9 0.282 5.148 1.40×105
    下降1 11.9 0.285 4.324 2.11×104
    搜索 6 0.285 5.092 1.24×105
    下降2 3.5 0.364 4.529 3.38×104
    攻击 1 0.373 6.201 1.59×106
    爬升2 16.3 0.288 4.368 2.33×104
    巡航2 31.7 0.189 3.751 5.64×103
    下降3 15.8 0.286 3.754 5.67×103
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    表  16  B767-200飞机任务段的载荷谱损伤分布参数

    Table  16.   Distribution parameters of damage of load spectra of mission segments of B767-200 aircraft

    任务段 高度/(103 ft) μlg D σlg D dseg.ave
    离场 0.87 0.369 4.644 4.40×104
    初期爬升 1.5 0.364 4.774 5.94×104
    爬升 6 0.287 5.338 2.18×105
    巡航 30 0.193 4.564 3.66×104
    初期下降 15 0.29 5.541 3.48×105
    下降 3 0.362 4.703 5.04×104
    接近 1 0.371 4.726 5.32×104
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-21
  • 录用日期:  2020-08-30
  • 网络出版日期:  2021-10-20

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