一种适用于低成本的无人机机体结构定寿方法

摘要

本发明涉及一种经济性、实践性较强的无人机寿命评估方法。特征是：从无人机自身安全性要求较低、无人员伤亡的特点出发，分析无人机的维修保障的统计数据，确定无人机机体结构的关键部件；然后通过飞行模拟和飞行监测数据确定关键部位的基准载荷谱，并通过少量的疲劳试验确定关键部件的累计疲劳损伤；最后根据模拟和监测的任务剖面载荷谱，确定部件各任务剖面单位航程损伤系数，得到各关键部件能承受的飞行次数和航程，选取最小值作为无人机机体结构的疲劳寿命。本发明的有益效果是：摒弃复杂建模，充分利用飞行监测数据，计算方便，经济效益明显，操作方法简单实用，工程实践性强。能够比较准确的预测和评估无人机机体结构寿命。

说明书

技术领域

本发明属于飞行器结构疲劳强度及其疲劳寿命的分析技术领域，特别涉及一种适用于经 济性、实践性较强的无人机寿命评估方法。

背景技术

随着信息技术不断发展，无人机成为信息化和智能化领域一个重要节点，在军民两个领 域都有着及其重要的应用。各种信息化设备组成的中、大型无人机系统，功能不断扩展，机 载设备越来越先进，复杂，也越来越昂贵。相比较目前有近百家在研制生产无人机的单位， 国内对无人机结构寿命评估技术研究机构可谓“凤毛麟角”。相对于有人飞机严格定寿机制， 无人机寿命确定基本采用经验值，没有严格的寿命评估准则和方法。随着供大于求的出现， 用户必然把寿命长、可靠性高作为衡量无人机性能最为重要的指标，因此迫切需要开展无人 机机体结构的定寿研究工作，以提高无人机装备的安全性、经济性和使用效率。

无人机的机身结构设计大量使用先进复合材料，如玻璃纤维复合材料、蜂窝夹层复合材 料等，影响无人机机体结构寿命的主要因素是过载造成的复合材料疲劳损伤。复合材料的结 构疲劳寿命分析主要有两种方法，分别为微观机理模型和宏观唯象模型。目前能够指导实践 的主要是宏观唯象模型。代表的分析方法有：S-N曲线方法、剩余强度分析方法、剩余刚度 分析方法、疲劳模量分析方法、耗散能分析方法等。但上述方法共同的特点是：模型中重要 参量确定需要有大量的实验数据予以支持，存在着研究成本高，不利于工程推广等问题。

发明内容

针对上述现有无人机机体结构定寿方法中存在的问题，本发明提供一种研究成本低且利 于工程推广的预测无人机结构疲劳寿命的方法。该方法基于累计损伤理论，通过确定损伤系 数来确定无人机机体结构寿命。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明一种适用于低成本的无人机机体结构定寿方法，其特征在于：从无人机自身安全 性要求较低、无人员伤亡的特点出发，首先分析无人机的维修保障的统计数据，确定无人机 机体结构的关键部件；然后通过飞行模拟和飞行监测数据确定关键部位的基准载荷谱，并通 过少量的疲劳试验确定关键部件的累计疲劳损伤；最后根据模拟和监测的任务剖面载荷谱， 确定部件各任务剖面单位航程损伤系数，依据损伤累积原理，得到各关键部件能承受的飞行 次数和航程，选取最小值作为无人机机体结构的疲劳寿命，具体方法步骤如下：

步骤1：任务剖面的简化

本发明方法设定无人机在飞行过程中平稳飞行，不做横向和纵向叠加运动，从起飞到降 落，可以分为加速爬升、平飞巡航、平飞加速、平飞减速和减速下降5个阶段。每个阶段受到 的损伤可认为是均匀的；

步骤2：监测关键部件载荷求取累积损伤

步骤2.1：根据已知寿命部件应力谱S_p及对应破坏循环数N_p，求出与应力谱S_i相对应 破坏循环数N_i；

S^mN＝C   (1)

式中，m和C是两个常数，与材料性质、试样形式和加载方式等有关，由试验确定；

对于任意一个常值应力谱S_p以及所对应的破坏循环数N_p，应力S_i以及所对应的循环破 坏数N_i应满足：

$\left(\begin{array}{c}{S}_p^m{N}_p=C\\ S_i^m{N}_i=C\end{array}\right)---\left(2\right)$

则两式相除即可得到：

$\frac{N_i}{N_p}={\left(\frac{S_p}{S_i}\right)}^m---\left(3\right)$

那么

$N_i=N_p{\left(\frac{S_p}{S_i}\right)}^m---\left(4\right)$

步骤2.2：由监控系统记录数据，分析出该关键部件应力S_i对应的实测循环数n_i；

步骤2.3：计算每个飞行段该部件在应力S_i对应的实测循环数n_i下累计疲劳损伤D_i。

无人机整个任务飞行分成若干飞行段，根据线型累积损伤理论中的Miner理论可得，各 个飞行段某关键部件的累加损伤为：

$D_i=\frac{n_i}{N_i}---\left(5\right)$

将式(4)代入式(5)可得：

$D_i=\frac{n_i}{N_p}{\left(\frac{S_i}{S_p}\right)}^m---\left(6\right)$

步骤3：量化单位航程损伤系数

步骤3.1：设无人机执行一次任务航程为L，各个飞行段航程为L_i有：

$L=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{L}_i---\left(7\right)$

步骤3.2：各个飞行段累加损伤为D_i，则部件在各个阶段单位航程损伤系数为k_i为：

$k_i=\frac{D_i}{L_i}---\left(8\right)$

步骤4：无人机机体疲劳寿命评估

步骤4.1：为了提高损伤系数准确性，获取的多组数据中坏数据剔除可通过对改组数据 求方差，偏离方差较大的数据予以剔除，然后对剩余数据求均值即可获得较为准确的单位航 程损伤系数。

获取r组数据，对k_i取均值得均值单位航程损伤系数

$\overline{k_i}=\frac{1}{r}\underset{j=1}{\overset{r}{\Sigma }}{\left(k_i\right)}_j---\left(9\right)$

通过飞行记录仪记录各飞行段累计航程数为(L_n)_i，则目前飞机的累计损伤D_n为：

$D_n=\underset{i}{\Sigma }(\overline{k_i}\times {\left(L_n\right)}_i)---\left(10\right)$

最大累计损伤D_max可根据试验和经验确定，大致为0.75～0.8，考虑到军用产品，值取0.8。 则该关键部件是否安全，可通过下面关系式判定：

如果D_n＜D_max，累积损伤在允许范围内，认为无人机处于安全状态；

如果D_n≥D_max，累积损伤超出允许范围，认为无人机处于危险状态，应对无人机进行 损伤检测，视损伤情况进行处理；

步骤4.2：考虑环境因子的关键部件疲劳损伤计算

考虑到各次飞行时环境谱差异，引入环境因子系数h，具体到每次飞行段用h_ij表示：

$D_n=\underset{i}{\Sigma }\underset{j}{\Sigma }{h}_{\mathrm{ij}}{(\overline{k_i}\times \left(L_i\right))}_j---\left(11\right)$

通常无人机飞行需要满足无雨雾雪、风速一般小于10m/s的天气条件。湿度一般影响 飞机的日历寿命，试验表明对目前使用周期较短的无人机寿命影响几乎可以不考虑。因此环 境谱中重点考虑风力对无人机疲劳寿命的影响。h_ij可以根据风力、风向变化划分一定的等级 并适当取值。如可以划分11个等级，基准值为1，环境因子取值范围分迎风为1～1.25之间， 顺风为0.75～1之间；

步骤4.3：整机疲劳寿命计算

设定一次典型飞行任务航程为1，不考虑环境因子，一次飞行某关键部件的累计损伤D_l为：

$D_l=\underset{i}{\Sigma }\frac{n_i}{N_i}---\left(12\right)$

那么能够飞行次数T和总航程为L_总：

$T=\left[\frac{D_{\max }}{D_l}\right]---\left(13\right)$

为保证无人机安全，无人机应按总的飞行次数和总航程最小的关键部件来计算，则：

T_min＝min(T⁽¹⁾，T⁽²⁾，…，T⁽ⁿ⁾)   (15)

L_min＝min(L_总⁽¹⁾，L_总⁽²⁾，…，L_总⁽ⁿ⁾)   (16)

本发明的有益效果是：方法不用从损伤机理分析，摒弃了复杂的建模；充分利用飞行监 测数据，从宏观上评定机体结构寿命，计算方便，寿命表达方式为直观的航程和飞行次数， 经济效益明显，操作方法简单实用，工程实践性强。可推广至一般的无人机维修保障单位， 能够比较准确的预测和评估无人机机体结构寿命。

附图说明

图1：实测法求取各个飞行段累计损伤计算流程

图2：损伤系数法评定寿命示意图

具体实施方法

下面结合附图对适用于低成本的无人机机体结构定寿方法的具体实施方式作进一步详细 说明。

本实施例中，详细阐述损伤系数法评估无人机机体结构寿命的方法。图1中，以无人机某 个关键部件为例，监测该部件飞行各个飞行段载荷，用S_i表示载荷、用n_i表示对应循环数； 根据监测和统计数据确定部件在各个飞行段航程累积损伤为D_i，及单位航程损伤系数k_i；试 验或经验获取该部件非破坏临界值，即部件能够承受最大累计损伤D_max；根据已知执行任务 的记录数据，计算该部件累积航程损伤D_n；根据部件累积航程损伤D_n与能够承受最大损伤 D_max大小，判定服役、维修或报废，具体方法步骤如下：

步骤1：任务剖面的简化

本方法适用的条件要求无人机应具有任务剖面较简单，飞行过程平稳，过载较小，机动 载荷及随机载荷较少的特点。无人机从起飞到降落，整个飞行过程分为起飞、爬升、巡航、 下降、着陆等9个阶段，每个阶段损伤过程视为均匀；

步骤2：监测关键部件载荷求取累积损伤

步骤2.1：对载荷进行监控，得到真实载荷数据，然后根据累积损伤原理，确定部件的使 用寿命；根据已知寿命部件应力谱S_p及对应破坏循环数N_p，求出与应力谱S_i相对应破坏循 环数N_i；

对于任意一个常值应力谱S_p以及所对应的破坏循环数N_p，应力S_i以及所对应的循环破 坏数N_i满足式(2)、(4)：

步骤2.2：由监控系统记录数据，分析出该关键部件应力S_i对应的实测循环数n_i；

步骤2.3：计算每个飞行段该部件在应力S_i对应的实测循环数n_i下累计疲劳损伤D_i；

在常值载荷谱S_p＝200MPa时，某关键部件破坏循环数N_p＝2×10⁴，取m＝3。一次典 型飞行任务各飞行段实测载荷数S_i(MPa)，实测循环数n_i和航程L_i(km)，则由公式(6) 可求出该次典型飞行中各飞行段累计损伤D_i(见表1所示)；

步骤3：量化单位航程损伤系数

设无人机执行一次任务航程为L，各个飞行段航程为L_i根据式(7)得到；各个飞行段累 加损伤为D_i，则部件在各个阶段单位航程损伤系数为k_i根据式(8)得到(见表1所示)；

表1各阶段累积损伤及单位航程损伤系数

步骤4：无人机机体疲劳寿命评估

由式(9)求得单位航程损伤系数为后，通过飞行记录仪记录各飞行段累计航程数为 (L_n)_i，根据(10)则得到飞机的累计损伤D_n；最大累计损伤D_max根据试验和经验确定； 大致为0.75～0.8，考虑到军用产品，值取0.8；则该关键部件是否安全，通过下面关系式判定：

如果D_n＜D_max，累积损伤在允许范围内，认为无人机处于安全状态；如果D_n≥D_max， 累积损伤超出允许范围，认为无人机处于危险状态，应对无人机进行损伤检测，视损伤情况 进行处理；

步骤4.1：考虑环境因子的关键部件疲劳损伤计算

通常无人机飞行需要满足无雨雾雪、风速一般小于10m/s的天气条件。湿度一般影响 飞机的日历寿命，试验表明对目前使用周期较短的无人机寿命影响几乎可以不考虑。因此环 境谱中重点考虑风力对无人机疲劳寿命的影响。h_ij可以根据风力、风向变化划分一定的等级 并适当取值。如可以划分11个等级，基准值为1，环境因子取值范围分迎风为1～1.25之间， 顺风为0.75～1之间；

步骤4.2：整机疲劳寿命计算：

对某关键部件采集多组载荷数据分别计算k_i，利用公式(9)计算平均单位航程损伤系 数由公式(13)(14)即可计算出执行典型任务次数及总航程，结果如表2所示。

表2某关键部件典型任务飞行统计表