靜力試驗數據預警與軟件開發

摘" 要：靜力試驗通過地面施加外載荷模擬飛機結構真實受載情況，逐級加載并逐級測量結構位移、應變響應。試驗過程中數據的實時分析與預警，可以及時發現試驗異常數據，監控試驗件狀態，提高靜力試驗實施的安全性。該文研究相關性、斜率變化等試驗數據分析方法，開發靜力試驗數據預警軟件，實現靜力試驗中實時數據分析與預警，數據線性、重復性分析，正式試驗快速結論等功能，提高靜力試驗中響應數據可視化、結果可視化能力。

關鍵詞：靜力試驗；結構響應；數據分析；數據預警；軟件開發；結果可視化

中圖分類號：V216.1 " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0061-04

Abstract： The static test simulates the real load condition of the aircraft structure by applying external load on the ground， and measures the structural displacement and strain response step by step. The real-time analysis and early warning of data in the test process can detect abnormal test data in time， monitor the state of test parts， and improve the safety of static test. The methods of test data analysis such as correlation analysis and slope change are studied， and the early warning software of static test data is developed， which realizes the functions of real-time data analysis and early warning， linear and repetitive analysis of data in static test， and rapid conclusion of formal test， thereby improves the ability of visualization of response data and results in static test.

Keywords： static test; structural response; data analysis; data early warning; software development; result visualization

結構靜強度試驗是考核飛機結構強度的重要手段[1]。靜力試驗中，在地面施加外載荷模擬飛機真實受載，并實時采集結構的變形響應[2-3]。通過試驗中實測的位移、應變數據獲取結構真實變形情況，作為結構響應對比、有限元模型驗證的基準[4]。試驗過程中對結構響應的實時分析與預警，可以及時發現高載時結構變形異常部位，如結構發生塑性變形或結構出現局部失穩。可靠的數據采集與分析影響了試驗的成敗，可以有效發現試驗過程中的加載問題或結構問題，提高試驗實施的安全性和可靠性。

劉斯以等[5]提出了一種對試驗數據進行最小二乘擬合，然后根據截距進行零點偏移，消除試驗件結構、加載設備重量對測量結果影響的方法。王霞光等[6]提出了一種通過相關系數進行數據篩選，然后選定線性區間利用最小二乘法進行線性擬合的數據處理方法。柴東波等[7-8]提出了一種利用預試數據作為標準樣本構建線性回歸方程和標準差，基于線性回歸方程和標準差構建偏離度，快速識別非線性變化的試驗數據的方法。

本文研究總結了靜力試驗中數據分析及實時預警方法，在此基礎上，利用Python編程語言開發了靜力試驗數據預警軟件，實現了靜力試驗實時數據分析與預警，數據線性、重復性分析，正式試驗快速結論等功能，提高了靜力試驗中響應數據可視化、結果可視化能力。

1" 靜力試驗數據分析方法

1.1" 線性分析

靜力試驗中數據測量通常包含位移測量和應變測量，按照試驗大綱中規定的加載程序逐級加載，并同步采集應變和位移數據。低載狀態下，結構處于線彈性范圍，結構的應變、位移響應與載荷呈線性關系，當進入到高載后，可能出現塑性變形或局部區域傳力路徑改變，此時部分區域響應與載荷不再是完全線性。因此通過數據線性度變化識別結構危險部位，可以有效提高試驗實施的安全性和可靠性。對響應數據線性度判斷有以下幾種方法。

1.1.1" 線性相關系數計算

線性相關系數是研究變量之間線性相關程度的量[9]，通過計算載荷量級和各結構響應（位移、應變）的線性相關系數，判斷結構響應是否與載荷線性相關。

2" 數據預警軟件開發

靜力試驗中，數據采集系統實時采集并轉發結構響應數據包。在試驗過程中實時讀取數據包，并開展數據分析，進行可視化顯示，可以有效發現試驗中存在的安全風險。試驗完成后，快速對試驗數據進行回收，并進行數據分析，可快速得到試驗結論，發現存在異常的數據。基于Python編程語言，開發了靜力試驗數據預警軟件，主要包含數據監控、數據預警、數據分析、可視化顯示等功能。軟件主界面如圖1所示。

2.1" 實時監控與預警

靜力試驗中隨著載荷逐級施加，實時同步采集結構響應數據，如從大量數據中篩選出可能存在異常的數據，可以有效降低試驗風險。試驗數據量巨大，連續加載過程中人工很難發現異常數據，因此需要通過實時分析，自動識別異常數據并進行預警。

軟件中采用基于斜率變化的方法判斷可能存在異常的數據。根據采集系統輸出數據編碼格式，將十六進制數據轉化為易操作的十進制數據。數據顯示包含2個窗口，一個是數據監控窗口，如圖2所示，根據理論分析得到的危險部位和重點監測部位，選擇相應的位移、應變測點進行實時跟蹤顯示。在數據監控窗口中，還可以導入預試數據或理論數據，方便進行數據對比。另一個是數據預警窗口，如圖3所示，在試驗加載過程中實時計算所有響應曲線的當前斜率與前序斜率，如果斜率變化超過設定值，則在主界面中顯示出異常的應變片號及斜率變化值，同時在斜率預警窗口中自動顯示該響應曲線，便于及時查找原因，排查試驗安全風險。在2個觀察窗口中，可以捕捉測得點顯示測點信息，實時測量曲線上2點間斜率。

2.2" 預試數據分析

正式靜力試驗前通常需要進行至少2遍低載狀態的預試，通過預試一方面檢查試驗加載設備、測量設備的可靠性，加載系統安裝的準確性；另一方面與理論數據對比，預測正式試驗結果。全面有效的預試數據分析關乎最終試驗的成敗與安全。

2.2.1" 線性分析

預試完成后，對所有測量數據進行線性分析。計算所有位移、應變響應與載荷之間的相關系數。然后對相關系數從小到大進行分區，統計每個區間內元素出現的個數或概率密度，由此得到所有響應數據的線性相關系數分布（根據設置的截止值將小應變和小位移剔除）。某試驗60%限制載荷預試中（2遍）位移、應變線性度及相關系數統計如圖4所示，線性相關系數設置了0.05的置信區間，在此區間內的響應數據認為線性度良好。

2.2.2" 重復性分析

預試完成后，快速判斷多遍預試數據的重復性結果，重復性越高，說明試驗加載、測量越穩定可靠。

選擇同一載荷量級（選擇預試最大載荷）進行重復性比較，根據設置的位移和應變截止值，分別計算相對誤差和絕對誤差，并分類進行統計。

2.2.3" 異常數據輸出

對線性相關系數低于0.95的數據輸出，對重復性大于5或5%的數據輸出，對響應數據一直為零的數據判斷為壞片并輸出，輸出所有異常數據，方便進一步排查原因。

2.3" 正式試驗快速結論

正式試驗結束后，快速得到試驗結論，包含了線性分析與統計、殘余變形統計，如圖5所示。

3nbsp; 結束語

研究了靜力試驗中測量得到的響應數據分析方法及試驗過程中數據實時預警方法，基于Python編程語言開發了靜力試驗數據預警軟件，實現了靜力試驗中實時數據分析與預警，數據線性、重復性分析，正式試驗快速結論等功能，對數據進行高效分析并分類統計，結果可視化輸出，使試驗實施更加安全高效，并在工程中得到應用推廣。

參考文獻：

[1] 國防科學技術工業委員會.飛機結構靜強度試驗通用要求：HB 7713—2002[S].

[2] 鄭建軍，唐吉運，王彬文.C919飛機全機靜力試驗技術[J].航空學報，2019，40（1）：210-221.

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[4] 趙峻峰，李三平，李強.民用飛機機體結構靜強度驗證[J].民用飛機設計與研究，2020（2）：1-5.

[5] 劉斯以，王崇，張俊愿.懸吊式靜力試驗應變測量數據快速處理方法[J].直升機技術，2018（2）：55-59.

[6] 王霞光，左佳.飛機結構靜力試驗中應變測量數據線性化處理方法研究[C]//第六屆中國航空學會青年科技論壇文集（上冊），2014：461-464.

[7] 柴東波，郭曉冬，楊東濤.全機靜力試驗預警方法的研究[J].工程與試驗，2020，60（4）：13-15.

[8] 柴東波，張建鋒，郭曉冬，等.飛機結構靜強度試驗實時預警方法研究[J].工程與試驗，2022，62（1）：36-37，53.

[9] 孟慶寬，劉剛，張漫，等.基于線性相關系數約束的作物行中心線檢測方法[J].農業機械學報，2013，44（S1）：216-223.

[10] 田垅，劉宗田.最小二乘法分段直線擬合[J].計算機科學，2012，39（S1）：482-484.