1.2.2 飛機載荷譜

飛機結(jié)構(gòu)在使用中所受到的載荷包括靜載荷、動載荷、疲勞載荷和熱載荷。疲勞載荷有以下主要特征：一是交變載荷；二是反復(fù)多次作用于飛機結(jié)構(gòu)上。從這個角度來說，疲勞載荷也稱重復(fù)載荷，即疲勞載荷是一種交變的重復(fù)載荷，而載荷譜則是對這種交變重復(fù)載荷的描述。由于載荷譜總是在飛機使用中才會產(chǎn)生，因此，人們通常把載荷譜稱為使用載荷譜。

1.疲勞載荷源

作用于工程結(jié)構(gòu)上的疲勞載荷有兩個主要來源：結(jié)構(gòu)環(huán)境和結(jié)構(gòu)使用。

結(jié)構(gòu)環(huán)境指工程結(jié)構(gòu)在使用過程中所經(jīng)受的環(huán)境因素。以飛機結(jié)構(gòu)為例，從環(huán)境位置來說包括飛機外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境；從載荷狀態(tài)來說包括空中環(huán)境和地面環(huán)境；從環(huán)境性質(zhì)來說包括載荷環(huán)境和腐蝕環(huán)境，載荷環(huán)境會帶來飛機結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，而腐蝕環(huán)境會帶來飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷。這兩種環(huán)境都直接決定飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命，只不過前者（載荷環(huán)境）主要決定飛機結(jié)構(gòu)使用壽命的兩個重要指標(biāo)——飛行小時和起落次數(shù)，后者（腐蝕環(huán)境）主要決定飛機結(jié)構(gòu)使用壽命的另一個重要指標(biāo)——飛機日歷年限。

就飛機載荷環(huán)境而言，主要包括如下幾種：大氣紊流所引起的陣風(fēng)載荷、跑道不平度所引起的滑行載荷、結(jié)構(gòu)振動所引起的振動載荷、航空噪聲所引起的聲載荷、飛機局部熱源或高速戰(zhàn)斗機氣動加熱引起的熱載荷等，它們既屬于飛機載荷范疇，又是飛機使用環(huán)境。

結(jié)構(gòu)使用是指能產(chǎn)生載荷的結(jié)構(gòu)操作。以飛機結(jié)構(gòu)為例，它主要包括空中操作和地面操作，例如，發(fā)動機地面開車、功能檢查、頂起、牽引、轉(zhuǎn)彎、機動飛行、操縱系統(tǒng)工作、地形跟蹤飛行、座艙增壓、著陸撞擊、剎車、地—空—地循環(huán)等。

2.載荷譜含義

載荷譜包括以下三層含義：

（1）載荷譜是一種客觀存在。從譜的原始表現(xiàn)形態(tài)來看，載荷譜主要表現(xiàn)為載荷大小隨時間的變化，即載荷時間歷程，如圖1-3所示。

（2）載荷譜又是一種主觀產(chǎn)物，是主觀對客觀的反映。因為任何原始形態(tài)的載荷時間歷程因種種原因不可能直接用于結(jié)構(gòu)的疲勞分析或疲勞試驗，必須要經(jīng)過一定的改造制作工夫，也就是要把客觀的載荷時間歷程編制成使用載荷譜。另一方面，從工程結(jié)構(gòu)設(shè)計角度來看，在新產(chǎn)品未使用之前，還不存在這種客觀的載荷時間歷程，必須根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、資料或以往類似產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)及經(jīng)驗來編制設(shè)計使用載荷譜。

（3）從載荷譜編制的角度來看，載荷譜實質(zhì)上是工程結(jié)構(gòu)使用中各級載荷大小出現(xiàn)頻數(shù)的排列，因此，載荷譜有三個基本要素：載荷大小、出現(xiàn)頻數(shù)和先后順序，它們各自對結(jié)構(gòu)使用壽命帶來直接影響，這三個缺一不可。從某種程度上來說，編制使用載荷譜的過程實質(zhì)上就是把疲勞載荷的時域轉(zhuǎn)換為頻域的過程，也是按可靠性設(shè)計要求對疲勞載荷進行統(tǒng)計分析的過程。

載荷譜中的一個交變載荷就是一個載荷循環(huán)，一個載荷循環(huán)的載荷大小通常可用5個參數(shù)來描述：最大載荷、最小載荷、載荷幅值（或載荷變程）、載荷均值和載荷比。為便于說明，這里用如圖1-4所示的常幅應(yīng)力譜來代表載荷譜，其載荷大小變成相應(yīng)的應(yīng)力大小。設(shè)最大應(yīng)力為Sma x和最小應(yīng)力為Smin。定義應(yīng)力幅值Sa、應(yīng)力均值Sm、應(yīng)力比R分別為

若應(yīng)力比R=-1，則稱為對稱循環(huán)疲勞載荷；若R=0，則稱為脈動循環(huán)疲勞載荷。5個參數(shù)中只要知道其中任意兩個，就可求出其他三個。

載荷出現(xiàn)頻數(shù)是指某一載荷譜塊中各級載荷出現(xiàn)的次數(shù)。一個載荷譜塊可大可小，最大的可用一個壽命期作為一個載荷譜塊，小的可用一次飛行或一個任務(wù)段時間作為一個載荷譜塊，比較常用的是用1000飛行小時、100飛行小時的整數(shù)倍、飛行訓(xùn)練大綱的一個訓(xùn)練周期或一年的飛行時間作為一個載荷譜塊，一個載荷譜塊也稱一個載荷譜周期。一個載荷譜周期載荷出現(xiàn)頻數(shù)有兩種表示法：各級載荷大小實有出現(xiàn)頻數(shù)和累積出現(xiàn)頻數(shù)。

載荷順序指載荷譜中各級載荷大小排列的先后次序，載荷順序既包括一個載荷譜塊內(nèi)各級載荷大小的排列順序，也包括一個譜塊內(nèi)各種任務(wù)及各次飛行的排列順序。

3.飛機載荷譜分類

1）按疲勞載荷來源分

可分為機動載荷譜、陣風(fēng)載荷譜、座艙增壓譜、著陸撞擊譜、滑行譜、地面操縱載荷譜（包括剎車、轉(zhuǎn)彎、牽引、打地轉(zhuǎn)、最小半徑轉(zhuǎn)彎、發(fā)動機地面試車等）、振動譜、聲載荷譜、熱載荷譜等。

2）按編譜目的分

（1）過載譜。根據(jù)飛機三向過載（主要是重心法向過載）的時間歷程而編制的譜，該譜用于評價載荷譜的嚴(yán)重程度，且作為編制飛機部件載荷譜或應(yīng)力譜的基本輸入。

（2）試驗載荷譜。主要用于飛機元件、構(gòu)件、部件或全機疲勞、耐久性或損傷容限試驗。

（3）應(yīng)力譜。主要用于估算飛機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的疲勞壽命，并用于進行疲勞及斷裂分析。

3）按飛機型號全壽命管理周期分

（1）設(shè)計使用載荷譜。在飛機設(shè)計階段為進行疲勞/斷裂分析和疲勞、耐久性和損傷容限試驗所編制的載荷譜。

（2）服役使用載荷譜。在飛機服役期間（包括領(lǐng)先飛行期間）通過專門測試設(shè)備的飛行實測或使用壽命監(jiān)控所編制的載荷譜。服役使用載荷譜也稱實測載荷譜。從飛機使用壽命監(jiān)控角度來說，服役使用載荷譜包括基準(zhǔn)使用載荷譜和單機使用載荷譜。

4）按使用壽命監(jiān)控的飛機范圍和數(shù)量分

（1）單機使用載荷譜。飛機機隊中每架飛機在整個使用壽命期內(nèi)的載荷經(jīng)歷，一般通過單機監(jiān)控獲得。

（2）飛機機隊基準(zhǔn)使用載荷譜。代表飛機機隊基準(zhǔn)使用情況的載荷譜，一般通過機隊抽樣監(jiān)控獲得。

（3）飛機基準(zhǔn)使用載荷譜。代表某一型號飛機所有機隊基準(zhǔn)使用情況的載荷譜。換句話說，它是該型飛機所有機隊的加權(quán)基準(zhǔn)使用載荷譜。

現(xiàn)代飛機往往具有多用途能力，會執(zhí)行各種不同的任務(wù)，戰(zhàn)術(shù)技術(shù)和訓(xùn)練方法也會發(fā)生很大變化。不僅機隊飛機實際的使用情況和設(shè)計預(yù)定的使用情況有顯著差別，各個機隊之間的使用情況也不相同，單架飛機的使用情況與機隊基準(zhǔn)使用情況也有顯著差別。單機使用載荷譜有的要比機隊基準(zhǔn)使用載荷譜嚴(yán)重，有的則要輕得多。機隊基準(zhǔn)使用載荷譜和飛機基準(zhǔn)使用載荷譜之間也有類似的情況。因此，很有必要編制這幾種不同類型的服役使用載荷譜。

5）按載荷順序分

（1）無順序載荷譜。指各級載荷大小的實有頻數(shù)或累積頻數(shù)。在這種譜中，沒有載荷順序的信息。這種譜主要用做編制飛-續(xù)-飛譜或程序塊譜的直接輸入，還可用于判斷和比較各種載荷譜的嚴(yán)重程度。

（2）等幅譜。載荷大小為某一定值的載荷譜，其載荷順序很顯然是單一的，如圖1-4所示。這種譜主要用于材料疲勞性能試驗，也用于疲勞分析方法的研究，有時還用于比較兩個結(jié)構(gòu)疲勞性能的優(yōu)劣。

（3）程序塊譜。在一個載荷譜塊（如100飛行小時或一個飛行訓(xùn)練周期）中載荷順序為某種固定順序的載荷譜。固定的載荷順序一般為低—高—低、低—高或高—低等，如圖1-5所示。

（4）飛—續(xù)—飛譜。按一次飛行接著一次飛行所構(gòu)成的載荷譜。在一次飛行或一次飛行的一個任務(wù)段中，載荷順序可以是隨機的，也可以是程序化的。各次飛行之間的排列可以是隨機的，也可以是程序化的。飛—續(xù)—飛譜從不同角度還可以分成若干種類，這在后面將提到。

值得一提的是，程序塊譜和飛—續(xù)—飛譜既可以是試驗譜，也可以是應(yīng)力譜。換句話說，這兩種譜根據(jù)不同的目的，既可以用作疲勞/耐久性/損傷容限試驗，也可以用作壽命估算和疲勞/斷裂分析。

6）按任務(wù)剖面形式分

（1）任務(wù)段譜。以任務(wù)段作為編譜單元編制的載荷譜。

（2）任務(wù)譜。以各種任務(wù)的一次飛行作為編譜單元編制的載荷譜。一般來說，它由任務(wù)段譜導(dǎo)出，也可直接從實測結(jié)果給出。

（3）總譜。按飛機所有使用情況編制的載荷譜，可由任務(wù)段譜或任務(wù)譜導(dǎo)出。

7）按實測載荷譜編制方法分

（1）傳統(tǒng)均值載荷譜。按傳統(tǒng)均值載荷譜編制方法編制的實測載荷譜。

（2）代表起落隨機載荷譜。按代表起落隨機載荷譜編制方法編制的實測載荷譜。

8）按零部件載荷傳遞方式分

可分為彎矩譜、剪力譜、扭矩譜、拉壓載荷譜。

9）按譜的嚴(yán)重程度分

（1）平均譜。按飛機使用分布內(nèi)的平均使用情況編制的載荷譜。

（2）嚴(yán)重譜。按飛機使用分布內(nèi)的嚴(yán)重使用情況編制的載荷譜。