飛機疲勞試驗應變測量異常分析研究

張清勇，李宏亮

（中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞實驗室，陜西?西安?710065）

飛機結構疲勞試驗是目前國內外航空界驗證飛機結構疲勞性能，獲得結構疲勞裂紋生成和裂紋擴展壽命的主要方法，是確定飛機使用壽命、檢修周期、檢修方法的重要依據。在試驗過程中，盡早發現主要受力構件的疲勞裂紋直接關系到試驗件的安全和試驗的成敗[1-2]。

應變測量和數據采集是獲取試驗件結構性能狀態的關鍵反饋。全尺寸飛機結構靜力試驗是通過對試驗件施加應力得到的應變數據來分析飛機結構是否達到設計強度。疲勞試驗是通過對應變數據分析，估算機體出現裂紋的部位及材料產生疲勞的時間等數據，為飛機使用安全及進場檢修提供試驗數據參考[3]。因此，應變測量數據的準確性是飛機疲勞試驗數據分析的關鍵前提。影響應變測量準確性的因素較多，若不仔細分析并采取有效措施，就可能帶來很大的測量誤差。從測量系統的組成來看，它由應變計、導線、測量儀器三部分組成，在分析測量誤差時必須分別加以考慮。凡屬系統誤差，可采用修正或校準的方法消除，凡屬隨機誤差，則需進行估算，然后進行綜合得出總的測量誤差[4]。

在飛機疲勞試驗中，經常會出現一些非試驗件自身原因引起的“臺階”現象，通過對其產生的各種因素進行詳細分析研究，提出了改變接線方式和縮短調零時間等方法，提高了疲勞試驗應變測量的準確度，對于提高我國飛機結構疲勞試驗應變測量的技術具有重要意義。

1??異常“臺階”現象描述

在某型飛機疲勞試驗中，測控人員在分析疲勞試驗全程跟蹤測量數據時，發現不同時間段內同一載荷級數下的應變數據存在明顯的“臺階”。如圖1所示。

全面觀察2317009應變點在某日試驗中的測量數據，發現在12h中測量數據總趨勢發生了比較大的變化，如圖2所示。

圖1 281載荷級數下點2317009應變試驗數據

圖2 點2317009某日試驗中的全部測量曲線

疲勞試驗中，在飛機結構沒有出現疲勞損傷情況下，同一載荷級數下應變曲線應維持在一個特定水平，并保持不變。通過對試驗件進行檢測，未發現結構異常，且加載反饋正常，因此，有理由懷疑應變數據采集出現異常。

2??異常分析

2.1??溫漂試驗

通常情況下，采集系統溫漂是產生“臺階”現象的主要原因，因此，對采集系統進行溫漂試驗。

試驗1：采集系統連接應變片，不加載荷，每隔1min測量一次，連續測量10h，應變點2317009的測量曲線如圖3所示。

圖3 應變點2317009溫漂測量曲線

從圖2和圖3可以看到，試驗過程中數據趨勢的變化是溫漂造成的，但不能確定是測量設備還是應變片接入電路溫漂造成。

試驗2：對包括2317009應變點在內的6個機箱共6個放大器連接標準電阻，不加載荷，每隔1min測量一次，連續測量10h，應變點2317009所在通道的測量曲線如圖4所示。

圖4 點2317009所在通道接標準電阻溫漂測量曲線

從圖4可以看出，點2317009所在通道接標準電阻后不再出現大的溫漂，說明異常不是由測量設備造成的。

對2317009點所在的25號機箱的橋壓進行全程監測，曲線如圖5所示。

圖5 25號機箱橋壓全程監測曲線

可以看到，橋壓變化不超過3mV，滿足測量設備橋壓要求[4]，因此橋壓不是造成“臺階”的原因。

通過抽取了一些零漂比較大的通道，對其數據進行分析后發現，這些通道的零點值都比較大，25號箱49-64通道零點值見表1。

究其原因，這些應變測點都沒有嚴格按照1/4橋三線制的接線方式接線，而是以兩線制從應變片引出較長導線后，再以三線制接線方式接入采集系統。這種接線方式，零點值都會出現較大的偏移。通過分析兩線制和三線制機理，可以得出這樣的結論，測量數據的臺階是由溫漂造成的，溫漂又是由兩線連接造成的。

表1 25號箱49-64通道的零點值

2.2??兩線制和三線制溫漂

疲勞試驗中，將應變片粘貼至待測試驗部段上，若部段在載荷F的作用下發生形變，通過應變片的基底，粘結劑傳遞給應變計的敏感柵，使敏感柵的電阻發生改變，設應變片電阻為Rg，靈敏系數為k，試驗件形變引起的Rg電阻變化量為ΔRg。應變片的電阻變化率與應變ε的關系表達式為：

目前試驗中應用的應變電測方法以惠斯特1/4電橋為理論基礎，根據應變片計入橋路方式的不同，將應變測量分為兩線制和三線制。圖6和圖7分別是兩線制和三線制橋路連接示意圖，其中E為激勵電壓，R2和R3為分壓電阻，阻值為R，Rg為應變片電阻，R4為匹配電阻，R4≈Rg。

在圖6中，應變片Rg通過兩根阻值為Rf的引線接入橋路，當Rg變化ΔR，橋路輸出電壓為：

在兩線制中，引線Rf的接入使儀器測量的應變ε儀不是試驗件實際發生的應變ε，試驗件發生變形時，ε儀與電阻變化率的關系為：

由公式（1）和（3），得到兩線制連接時的應變計算公式：

可以看出，運用兩線制進行應變測量時，試驗件實際發生的應變ε與引線電阻Rf是相關的線性函數，當引線短時不會有很大問題，但是導線如果變長時，其影響不可以忽略。

圖6 兩線制連接圖

通過三線制接線法改善了此問題點，如圖7所示通過3根導線延長至電橋電路，通過此方法接線時，與兩線制不同的導線的電阻r1串聯至應變片Rg，r2與R2串聯，由于被串聯到電橋電路的鄰邊，所以r1和r2、溫漂引起的Δr1和Δr2被相互抵消。由于r3在電橋電路的外側（輸出端），所以基本沒有影響。

圖7 三線制連接圖

3??異常解決方法

當前試驗的應變片已經連接好，再做改變已不可能，在這種情況下，縮短試驗調零的周期，可有效消除溫漂的影響。

通過軟件設置，使得疲勞試驗數據測量每2h自動調零一次，測量數據的“臺階現象”得到了明顯的改善，如圖8所示。

圖8 點2317009兩小時調零的測量曲線

可以看到，試驗數據的溫漂已經有明顯的改變，需要注意的是，前兩個小時的溫漂還是比較大，這是由于儀器在補片后重新供電造成的，所以，建議在儀器斷電后重新供電時，調零的時間間隔要更小一些。

4??總結

針對疲勞試驗中應變采集系統在實際使用中遇到的“臺階”現象，通過對系統的原理及接線方式的分析，得到產生異常的根本原因，并通過改變接線方式和縮短調零時間等方法，消除了“臺階”故障現象，該方法解決了飛機疲勞試驗應變數據異常，提高了試驗的準確度。多次實際使用結果表明，后續系統采集得到的數據符合飛機疲勞試驗要求，因此，該法能夠在型號疲勞試驗中廣泛應用。