基于應變模態(tài)方法的飛機蒙皮分布動載荷識別

張叢，付益戰(zhàn)，李元棟，李家旭

（中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司，陜西 漢中 723213）

當今運輸類飛機的發(fā)展，隨著輕質化、高推重比等需求，對于飛機結構設計提出了更高的要求。在飛機結構設計中，結構載荷輸入是設計人員必須考慮的關鍵因素，它對于飛機結構設計優(yōu)化具有十分重要的意義。運輸機在飛行過程中，機身蒙皮在流場中受到分布動態(tài)載荷的作用。機身蒙皮在動態(tài)載荷的作用下引發(fā)結構振動和噪聲，影響機上人員的舒適性，過度振動甚至可能導致飛機結構疲勞破壞，進而影響飛行安全。然而，由于環(huán)境工況的影響，在飛機蒙皮外側布置壓力傳感器十分困難，機身蒙皮所受分布載荷通常很難在飛行過程中進行直接測量。因此，如何確定飛機在飛行過程中受到的分布動態(tài)載荷成為飛機結構設計人員亟待解決的一大難題。

結構系統(tǒng)的動態(tài)載荷識別技術，作為結構動力學研究的第二類逆問題[1]，是在已知結構系統(tǒng)的動力學特性的條件下，通過測量結構系統(tǒng)的動態(tài)響應來反推載荷輸入的過程，為動態(tài)載荷確定方法提供了新的思路。載荷識別技術的研究從20 世紀70 年代開始[2]，經(jīng)過近幾十年的不斷發(fā)展與完善，目前已經(jīng)成為解決復雜工程問題載荷預估的重要手段。文獻[3]提出了基于廣義正交多項式的復雜分布動載荷識別技術，該方法采用切比雪夫正交多項式為基函數(shù)，通過獲取有限個測點的位移響應識別基函數(shù)系數(shù)，從而得到以基函數(shù)疊加形式的分布載荷函數(shù)。該方法識別精度較高，具有很好的工程應用價值，但由于在結構共振頻率附近位移頻響函數(shù)矩陣的奇異性[4-5]，此種方法的識別精度受位移響應測量的準確度影響較大。

1988 年，李徳葆、夏蘇等[6]采用邏輯演繹的方法推導了結構應變頻響函數(shù)矩陣。1989—1996 年，李德葆、羅京等[7-9]采用直接微分法和有限元方法對應變模態(tài)理論進行了推導和論證，并采用計算仿真和實測實驗對應變模態(tài)理論進行了對比驗證。隨著應變模態(tài)理論的不斷發(fā)展，其理論研究已趨于完善，應變模態(tài)方法被廣泛應用于機械設備的故障診斷和結構損傷識別等領域，也有少部分用于動態(tài)載荷識別。

文中結合復雜結構分布動載荷識別的正交多項式擬合法和應變模態(tài)理論，建立了基于應變模態(tài)方法的飛機蒙皮分布動載荷識別模型。采用軟件仿真的方法，對某型飛機蒙皮分布動態(tài)載荷進行了識別，并對載荷識別的數(shù)值穩(wěn)定性進行了分析研究。

1 基本理論

1.1 蒙皮分布載荷識別模型的建立

對于受分布載荷F(x，y，ω)作用的矩形區(qū)域，其任一測點i的應變響應Wiε(ω)為：

對于L個測點的應變響應值為：

將F(x,y)寫成已知基函數(shù)T(x,y)疊加的形式：

可得：

寫成矩陣形式：

式中：為每個測點應變響應組成的矢量，可由應變傳感器直接測得；T為應變傳遞函數(shù)和正交基函數(shù)乘積的積分組成的矩陣，簡稱應變積分矩陣；a為待識別的系數(shù)組成的矢量。T中應變頻響函數(shù)可通過模態(tài)試驗或仿真分析得到，其理論推導過程詳見文獻[10]?；瘮?shù)為已知函數(shù)，因此系數(shù)向量a是可識別的。

積分矩陣T為L×k階矩陣，當L=k時，T為方陣，系數(shù)向量可直接求逆得到：

1.2 基函數(shù)的選取

文獻[11]提出采用切比雪夫廣義正交多項式為基函數(shù)，具有較好的擬合效果。在文中的載荷識別過程中，也選用正交多項式作為插值基函數(shù)，具體為：

2 有限元仿真計算

2.1 模型簡介

以某型飛機機身中段壁板為例，利用Patran 軟件建立機身中段壁板有限元模型。模型以壁板一角點為坐標原點，順航向為x軸，垂直向上為y軸，長l=2 m，高h=1.2 m，曲率半徑 為2 m，蒙皮厚度2 mm，壁板四周簡支約束，在壁板蒙皮內側選取16 個響應測點。壁板有限元模型及測點布置如圖1 所示。

圖1 某型機外側壁有限元模型及測點布置Fig.1 FEM model and measuring point layout of aircraft skin

2.2 載荷識別

在計算模型蒙皮外側，施加幅值為P(x,y)=1000-200(x-1)2-300(y-0.6)2，相位為0°的簡諧分布載荷，如圖2 所示。以有限元軟件Nastran 計算的頻率響應結果作為測點的響應，取3×3 階正交多項式，分別用應變和位移方法識別其70、80、90、100 Hz 下的載荷幅值，識別多項式系數(shù)見表1、表2，各頻率下的識別誤差見表3。由表3 可知，采用應變模態(tài)方法的某型飛機蒙皮分布載荷識別最大誤差為8.9%，采用位移方法的載荷識別最大誤差為8.14%，二者識別誤差均小于10%，且最大誤差均發(fā)生在蒙皮邊界附近，滿足工程應用要求。識別分布載荷及誤差（僅以70 Hz為例）如圖3、圖4 所示。

表1 應變載荷識別多項式系數(shù)Tab.1 Polynomial coefficients of strain load identification method

表2 位移載荷識別多項式系數(shù)Tab.2 Polynomial coefficients of displacement load identification method

表3 各頻率下載荷識別最大誤差Tab.3 The maximum error of load identification at each frequency

圖2 實際施加分布載荷Fig.2 Actual applied distributed load

圖3 70 Hz 載荷識別結果Fig.3 Load identification results at 70 Hz:a) strain mode method; b) displacement mode method

3 數(shù)值穩(wěn)定性分析

根據(jù)應變模態(tài)理論，結構應變頻響函數(shù)可通過位移頻響函數(shù)的微分運算進行推導，結構應變響應與位移響應之間也存在微分運算關系。因此在上述應變模態(tài)方法載荷識別過程中，式（5）為采用位移模態(tài)方法的微分函數(shù)方程組。微分運算后，矩陣T的條件數(shù)發(fā)生變化，從而影響載荷識別的數(shù)值穩(wěn)定性。為分析載荷識別的數(shù)值穩(wěn)定性，分別求式（7）中采用應變模態(tài)方法和位移模態(tài)方法的積分矩陣（TTT）的二范數(shù)條件數(shù)，計算結果見表4。

圖4 70 Hz 載荷識別誤差Fig.4 Load identification error at 70 Hz:a) strain mode method; b) displacement mode method

表4 各頻率下載荷識別積分矩陣條件數(shù)（105）Tab.4 The condition number of integral matrix at each frequency (105)

由表4 可知，各頻率下，利用應變模態(tài)方法進行載荷識別的積分矩陣條件數(shù)小于位移方法，表明采用應變模態(tài)方法的載荷識別數(shù)值穩(wěn)定性好于位移模態(tài)方法。為驗證應變模態(tài)方法和位移模態(tài)方法載荷識別的數(shù)值穩(wěn)定性差異，將仿真算例中100 Hz 下的應變響應數(shù)據(jù)和位移響應數(shù)據(jù)增加3%的隨機干擾，進行載荷識別。應變模態(tài)方法和位移模態(tài)方法載荷識別的最大相對誤差分別為9.8%、19.4%。由計算結果可知，加入隨機干擾后，采用位移方法的載荷識別誤差較大，無法滿足工程應用，而采用應變模態(tài)方法的載荷識別仍具有較好的識別精度，表明采用應變模態(tài)方法的分布載荷識別方法具有更好的抗干擾能力。

4 結論

對基于應變模態(tài)方法的動態(tài)分布載荷識別理論進行了研究，通過有限元仿真手段，分別采用應變和位移模態(tài)方法對某型機蒙皮所受分布動載荷進行了識別。結果表明，基于應變模態(tài)方法的飛機蒙皮分布動載荷識別方法具有較好的識別精度，滿足工程應用。對各個頻率下積分矩陣的條件數(shù)的計算表明，采用應變響應進行載荷識別的方法比傳統(tǒng)意義上的采用位移響應進行載荷識別的方法具有更好的數(shù)值穩(wěn)定性。同時，飛機蒙皮應變響應數(shù)據(jù)可通過在機身蒙皮內側布置應變片進行直接測量，受環(huán)境工況的限制較小，具有很好的應用價值。