運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別算法研究

運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別算法研究

飛機(jī)在飛行過(guò)程中的負(fù)荷通常分為兩類(lèi)：動(dòng)機(jī)負(fù)荷和矩陣負(fù)荷。機(jī)動(dòng)載荷是駕駛?cè)藛T操作引起的載荷,它與飛行科目、飛行機(jī)動(dòng)性能、飛機(jī)使用情況、飛行訓(xùn)練大綱以及駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系1風(fēng)負(fù)荷檢測(cè)算法和動(dòng)機(jī)負(fù)荷檢測(cè)1.1機(jī)動(dòng)時(shí)段識(shí)別飛機(jī)的任何動(dòng)作可以分為3個(gè)基本動(dòng)作:滾轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)和俯仰。因此可通過(guò)滾轉(zhuǎn)角、偏航角和俯仰角3個(gè)姿態(tài)角來(lái)判斷是否有機(jī)動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)生。而3個(gè)基本動(dòng)作依次由飛行員通過(guò)操縱副翼、方向舵和升降舵3個(gè)主操縱面來(lái)產(chǎn)生。故此,機(jī)動(dòng)載荷變化一般比較緩慢,并會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。相反,陣風(fēng)載荷變化較為劇烈,時(shí)間相對(duì)短促根據(jù)陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷變化特點(diǎn),在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí),陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷判斷條件為:(1)以3個(gè)姿態(tài)角為主要判斷依據(jù),對(duì)于飛機(jī)不同飛行載荷參數(shù),陣風(fēng)與機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別時(shí)所采用的姿態(tài)角不同。如偏航角的變化主要引起飛機(jī)水平方向載荷變化,飛機(jī)法向過(guò)載對(duì)偏航角的變化并不敏感,因此法向過(guò)載參數(shù)機(jī)動(dòng)判斷依據(jù)俯仰角和傾斜角。而俯仰角的變化主要引起飛機(jī)的法向載荷變化,故側(cè)向過(guò)載機(jī)動(dòng)判斷依據(jù)偏航角和傾斜角。(2)若相應(yīng)的姿態(tài)角幅值超過(guò)指定的角度,即角度閥值,可認(rèn)定可能存在機(jī)動(dòng)動(dòng)作。(3)陣風(fēng)載荷變化劇烈,而機(jī)動(dòng)載荷變化相對(duì)平緩。故姿態(tài)角變化持續(xù)時(shí)間大于指定時(shí)間,即時(shí)間閥值,可認(rèn)為存在機(jī)動(dòng)動(dòng)作。根據(jù)機(jī)動(dòng)載荷與陣風(fēng)載荷判斷條件,在具體處理時(shí),首先確定一個(gè)截止角度,將姿態(tài)角幅值大于截止角度的區(qū)域找出,若該區(qū)域存在大于角度閥值的時(shí)刻且所經(jīng)歷的時(shí)間大于時(shí)間閥值,則該區(qū)域?yàn)闄C(jī)動(dòng)時(shí)段。其余區(qū)域認(rèn)定為陣風(fēng)時(shí)段。如對(duì)某機(jī)型而言,截止角度為2°,角度閥值為4°,時(shí)間閥值為5s,即某姿態(tài)角幅值超過(guò)4°便判定可能存在機(jī)動(dòng)動(dòng)作,故將姿態(tài)角從大于2°開(kāi)始到小于2°結(jié)束為止的時(shí)段找出,如圖1中的AB點(diǎn)間的時(shí)段。若該時(shí)段持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間閥值,即可判定該時(shí)段為機(jī)動(dòng)時(shí)段。陣風(fēng)時(shí)段與機(jī)動(dòng)時(shí)段識(shí)別流程如圖2所示。圖2中,α為角度閥值;β為截止角度;δ為姿態(tài)角均值;t為時(shí)間閥值;H為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù);J為時(shí)段個(gè)數(shù);X為姿態(tài)角實(shí)測(cè)信號(hào),是一個(gè)H×2的二維矩陣。X的第一列X(:,1)存放采樣記錄號(hào),第二列存放各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值式中:x(i)為第i個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。時(shí)段Z為一個(gè)一維矩陣。Z中包含J個(gè)機(jī)動(dòng)時(shí)段式中:z{j}為第j個(gè)機(jī)動(dòng)時(shí)段,是一個(gè)1×2的一維矩陣,z{j}(1)為起始點(diǎn),z{j}(2)為終止點(diǎn)。D(m)為Z中第m個(gè)時(shí)段的大小,即z{m}中終止點(diǎn)與起始點(diǎn)之差在判斷是否大于時(shí)間閥值時(shí),需將時(shí)段轉(zhuǎn)化為時(shí)間單位秒來(lái)計(jì)算,即通過(guò)以上流程可將如圖3所示的俯仰角波形劃分出來(lái)。1.2陣風(fēng)載荷試驗(yàn)為了將陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷區(qū)分出來(lái),本文對(duì)陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷分別進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)。在陣風(fēng)時(shí)段內(nèi)的載荷循環(huán)計(jì)入陣風(fēng)載荷。在一個(gè)機(jī)動(dòng)時(shí)段內(nèi)若有多個(gè)有效峰谷值,根據(jù)陣風(fēng)載荷往往疊加在機(jī)動(dòng)載荷之上的原則,認(rèn)為較大的循環(huán)是機(jī)動(dòng)造成的載荷,其余是疊加在之上的陣風(fēng)載荷雨流計(jì)數(shù)程序邏輯流程如圖5所示。圖5中E為實(shí)測(cè)信號(hào),是一個(gè)H×1的一維矩陣;H為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù);Y1和Y2為兩個(gè)相鄰的載荷循環(huán);U=E(n-2)+E(n-1);S1.3機(jī)動(dòng)載荷為主地面段載荷為輔載荷陣風(fēng)載荷與機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別算法流程如圖6所示。在飛機(jī)處在地面段尚未離地時(shí),認(rèn)為飛機(jī)并未受到陣風(fēng)載荷的影響,為方便編譜處理,將地面段載荷均計(jì)為機(jī)動(dòng)載荷。2機(jī)動(dòng)載荷分析為了驗(yàn)證基于時(shí)段識(shí)別陣風(fēng)與機(jī)動(dòng)載荷算法的效果,選取某機(jī)型飛行參數(shù)作為試驗(yàn)樣本,試驗(yàn)參數(shù)以重心法向過(guò)載n圖7中,兩條虛線之間和兩條實(shí)線之間為機(jī)動(dòng)時(shí)段,虛線與實(shí)線之間為陣風(fēng)時(shí)段。由圖7(b)飛行高度曲線可以看出,基于俯仰角變化的機(jī)動(dòng)時(shí)段對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,飛機(jī)基本處于爬升或下降階段,有長(zhǎng)時(shí)間的高度變化,這表明識(shí)別的機(jī)動(dòng)時(shí)段為明顯的飛行員操縱時(shí)段,且識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確可靠。圖8中,兩條虛線之間和兩條實(shí)線之間為機(jī)動(dòng)時(shí)段,虛線與實(shí)線之間為陣風(fēng)時(shí)段。由圖8(b)副翼偏角曲線可以看出,基于傾斜角變化的機(jī)動(dòng)時(shí)段對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,飛機(jī)的副翼操縱面有較為明顯的角度變化,這表明識(shí)別的機(jī)動(dòng)時(shí)段為人工控制操縱面實(shí)現(xiàn)的傾斜角變化,且識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。圖9中,兩條虛線之間和兩條實(shí)線之間為機(jī)動(dòng)時(shí)段,虛線與實(shí)線之間為陣風(fēng)時(shí)段。根據(jù)時(shí)段劃分結(jié)果,對(duì)機(jī)動(dòng)與陣風(fēng)引起的法向重心過(guò)載分別進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。表1,2分別為機(jī)動(dòng)載荷和陣風(fēng)載荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。由表1,2可知,運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)動(dòng)載荷較小,而其受到的陣風(fēng)載荷相對(duì)于機(jī)動(dòng)載荷更多,說(shuō)明運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)動(dòng)動(dòng)作相對(duì)平緩,并沒(méi)有很大的機(jī)動(dòng)動(dòng)作,主要受到地-空-地載荷,對(duì)陣風(fēng)載荷更為敏感。3風(fēng)與機(jī)動(dòng)載荷區(qū)分驗(yàn)證(1)提出了運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的陣風(fēng)與機(jī)動(dòng)載荷識(shí)別算法,并采用Matlab進(jìn)行了算法編程實(shí)現(xiàn)。該算法可以有效地進(jìn)行陣風(fēng)與機(jī)動(dòng)載荷區(qū)分,為運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)和全尺寸疲勞試驗(yàn)的陣風(fēng)載荷譜與機(jī)動(dòng)載荷譜的確定提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。(2)運(yùn)輸類(lèi)