田媛　肖迎春　白生寶　黃博

摘要：以復(fù)合材料盒段為研究對象，對基于應(yīng)變監(jiān)測的載荷監(jiān)測方法開展了研究。建立了盒段力學(xué)模型，設(shè)計了傳感器布置網(wǎng)絡(luò)和試驗方案，進(jìn)行了試驗研究。利用多元線性回歸法處理、檢驗與優(yōu)化應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得了復(fù)合材料盒段載荷回歸方程，建立了載荷標(biāo)定方法。試驗結(jié)果表明載荷監(jiān)測值與實際值誤差在10%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料盒段；應(yīng)變法；標(biāo)定試驗；載荷應(yīng)變方程

1 引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷譜是飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性/損傷容限設(shè)計、分析、試驗的基礎(chǔ)，也是飛機(jī)定壽的主要依據(jù)之一[1]。載荷譜的研究經(jīng)歷了從簡單的常幅載荷譜到程序塊載荷譜，然后到飛-續(xù)-飛載荷譜發(fā)展過程。早期的載荷譜，主要是通過記錄飛機(jī)飛行過程中重心過載次數(shù)得到的重心過載譜，這種載荷譜參數(shù)單一，部分根據(jù)重心過載譜導(dǎo)出的部件載荷譜誤差較大[2]。近年來隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)，人們也在嘗試通過應(yīng)變傳感器對結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行在線監(jiān)測[3]，得到的飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷，既可以為載荷譜的編制提供依據(jù)，又能夠?qū)︼w機(jī)壽命的使用情況進(jìn)行監(jiān)測。因此，國外航空先進(jìn)國家都對基于應(yīng)變監(jiān)測的載荷監(jiān)測方法給予了大量的研究。例如，英國在狂風(fēng)、鷂式等戰(zhàn)斗機(jī)上、澳大利亞在F-18戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行了基于應(yīng)變監(jiān)測的飛機(jī)結(jié)構(gòu)載荷監(jiān)測方法的研究和應(yīng)用[4]。美國在F-35上也應(yīng)用了載荷直接監(jiān)測方法，在有關(guān)軍用規(guī)范[5]和標(biāo)準(zhǔn)[6]中也提出了相關(guān)要求。

基于應(yīng)變監(jiān)測的載荷監(jiān)測方法的關(guān)鍵是載荷回歸方程的建立，而回歸方程建立過程中最大的挑戰(zhàn)是回歸方程的標(biāo)定。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)在空中載荷監(jiān)測過程中監(jiān)測系統(tǒng)自己不能對自身進(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)必須依賴地面加載試驗進(jìn)行標(biāo)定[7]。對于使用中的飛機(jī)而言，由于結(jié)構(gòu)的限制，目前標(biāo)定試驗中載荷僅僅能加載到飛機(jī)限制載荷的50%～60%，這樣勢必影響回歸方程的準(zhǔn)確性。而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)地面強(qiáng)度試驗階段，有大量的各級尺寸和各類工況的強(qiáng)度驗證試驗，如果在地面強(qiáng)度試驗中就考慮結(jié)構(gòu)載荷的監(jiān)測和標(biāo)定方法研究，這樣不僅可以提高載荷監(jiān)測回歸方程的精度，而且可以節(jié)省大量的人力物力。

近年來，由于復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和比模量，在航空領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)身、中央翼盒等復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)也開始應(yīng)用復(fù)合材料。如美國的F-22、俄羅斯新一代的殲擊機(jī)都在機(jī)翼、鴨翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)中，廣泛采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[8]。機(jī)翼在飛機(jī)升空飛行中是重要的承力結(jié)構(gòu)，機(jī)翼根部為最大承力截面[9]。選取復(fù)合材料盒段為研究對象，通過地面試驗，模擬研究機(jī)翼根部彎矩、剪力、扭轉(zhuǎn)等載荷的監(jiān)測方法，探討通過地面強(qiáng)度試驗對回歸方程標(biāo)定的方法。

2 復(fù)合材料盒段力學(xué)模型

這里采用的試驗件為復(fù)合材料盒段，如圖1所示的三梁試件，試件幾何尺寸為760mm×510mm×106mm，復(fù)合材料為G0827/BA9912，對稱鋪層，采用VARI成型工藝。由于一般的結(jié)構(gòu)部件是彈性變形體，它在外載荷作用下產(chǎn)生變形，并產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力[9]?？紤]到結(jié)構(gòu)部件絕大多數(shù)在小變形條件下使用，為了簡化計算，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的兩個基本假設(shè)：小變形假設(shè)，即結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形很小，不影響結(jié)構(gòu)的外形幾何尺寸；線彈性假設(shè)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)為線彈性系統(tǒng)。

對于盒段，結(jié)構(gòu)主要承受彎矩、剪力及扭矩的作用。在外載荷作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力、正應(yīng)力和剪應(yīng)力。為了便于工程化計算，我們將盒段模型簡化如圖2所示。由于盒段根部為最大承力截面，我們選取截面A為測量截面（B為備用截面）。

簡化后有：結(jié)構(gòu)的橫剖面在自身平面內(nèi)的投影在受力過程中不變化；剖面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力沿壁厚均勻分布；橫剖面上剪應(yīng)力方向與壁中線方向一致；應(yīng)變平面分布假設(shè)：？著=ax+by+c，x，y為剖面上各點(diǎn)坐標(biāo)。在載荷試驗中規(guī)定坐標(biāo)系：原點(diǎn)為盒段根部截面的o點(diǎn)，沿盒段梁方向為x軸，向前為正；水平面內(nèi)垂直x軸為z軸，向左為正。y軸垂直向上。

3 載荷應(yīng)變方程推導(dǎo)

通過受力分析可知應(yīng)變值與該片位置以外的翼面上的載荷為線性關(guān)系[10]，則載荷-應(yīng)變方程[11]可表示為

根據(jù)最小二乘原理， 按此式可計算出{a1j}， 同理可算出{a2j}，{a3j}，這樣系數(shù)矩陣{aij}就可以確定了。而上式方程解存在的必要條件是正則方程的系數(shù)行列式值大于零，即|{？著ij}T{？著ij}|>0，即相同特性的應(yīng)變片不能在同一個載荷方程中使用，為了不降低載荷方程的精度，還應(yīng)將無響應(yīng)的應(yīng)變片（系數(shù)為零）剔除。

4 傳感器網(wǎng)絡(luò)與試驗加載方案設(shè)計

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，粘貼面上的應(yīng)變片所感受到的拉或壓應(yīng)變往往是多種載荷綜合作用的結(jié)果，為了得到單一載荷作用下的應(yīng)變量，要合理選擇應(yīng)變片的粘貼位置，盡可能把其它載荷造成的干擾信號排除在外，如在測量截面彎矩M時，要避開Mx，My對彎矩的影響，只對MZ產(chǎn)生的彎矩敏感。另外應(yīng)變片要避免貼在應(yīng)力集中部位。針對復(fù)合材料盒段，經(jīng)過受力分析可知測量彎矩、扭矩的應(yīng)變片貼在盒段蒙皮表面，剪力應(yīng)變片貼在腹板部分。應(yīng)變片貼片位置如圖3、圖4所示。1-6、25-30為彎矩應(yīng)變片，7-18、31-42為扭矩應(yīng)變花。19-24、43-48為剪力應(yīng)變花。

為了得到準(zhǔn)確的載荷回歸方程，這里設(shè)計了5個加載點(diǎn)，9種標(biāo)定工況。兩種驗證工況，如表1、表2所示。在地面標(biāo)定試驗中，每種工況載荷按10%為一級進(jìn)行逐級加載，各種工況的載荷每次預(yù)載到30%，主要是為了抵消構(gòu)件連接處變形的不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)對小載荷的不敏感性等因素影響。正式試驗以10%為一級進(jìn)行逐級加載，每種工況至少重復(fù)3次，以保證試驗數(shù)據(jù)的線性和重復(fù)性。加載點(diǎn)位置如圖5所示。實驗現(xiàn)場實施如圖6所示。