Мониторинг нагрузок и накопленной усталостной повреждаемости в условиях эксплуатации: реализация, результаты и возможности

Цель работы: построение оптимальных с позиций точности расчетно-экспериментальных алгоритмов восстановления переменной нагру-женности самолета в условиях эксплуатации по параметрам полета, регистрируемым на штатные аварийные самописцы и разработка на их основе автоматизированных систем контроля нагрузок и расхода ресурсных характеристик агрегатов планера самолета.

Усталостная повреждаемость оценивается расчетом по общепринятым методикам: с использованием полных циклов при обработке восстановленных временных реализаций нагрузок, линейного суммирования, соотношений Одинга, степенного вида кривой выносливости (ниже приведены зависимости для металлических конструкций с показателем степени 4). Обработка полетной информации происходит при возвращении самолета на базовый аэродром (или бортовой ЭВМ после окончания полета) в рамках штатной системы «экспресс-анализа» в группах объективного контроля авиакомпаний.

Достоинства и возможности системы:

̶ на самолете ничего дополнительно не устанавливается (для увеличения точности потребуется увеличение частоты опроса в 2-4 раза перегрузок, угловых скоростей, углов атаки и рулевых поверхностей) и отсутствуют эксплуатационные затраты;

̶ можно организовать индивидуальное отслеживание расхода ресурса каждым экземпляром самолета, что дает возможность в среднем увеличить ресурс парку в 1,5-2 раза и принесет существенный экономический эффект;

̶ можно организовать оптимальное планирование технического обслуживания (осмотры, замены деталей с ограниченным ресурсом, доработки), что также экономически эффективно;

̶ повышение безопасности эксплуатации, поскольку характеристики нагруженности будут определяться с использованием существенно большего числа влияющих на нее параметров, чем это делается до сих пор, что также экономически эффективно;

̶ контроль нагрузок при грубой посадке (снижение финансовых потерь при остановке эксплуатации с минимизацией контрольно-восстановительных работ);

̶ разработка рекомендаций по стилю пилотирования (траектория набора и снижения, посадка, использование механизации, разбег и др.) с целью снижения нагрузок и повреждаемости;

̶ мониторинг состояния ВПП и РД аэродромов по реакции самолета;

̶ накопление банка данных по экстремальным нагрузкам с целью уточнения нормативных требований по статической прочности;

̶ можно получать материалы по статистическим характеристикам переменной нагружен-ности и повреждаемости с целью правильного построения программ натурных усталостных испытаний и получения достоверных характеристик усталостной прочности, что увеличивает безопасность эксплуатации.

Принятый подход организации мониторинга. Спектральный, корреляционный и регрессионный анализ результатов тензометрии при летных испытаниях показывает, что в основу мониторинга повторяемости переменных нагрузок (усталостной повреждаемости) по определяющим режимам полета могут быть положены лишь статистические связи нагруженности с интегральными силовыми факторами (перегрузками). В алгоритмах восстановления повреждаемости от сил и моментов в различных сечениях конструкции самолета используются статистические зависимости нагруженности от интенсивности и времени колебаний по режимам полета. Нагрузки функционирования восстанавливаются по параметрам полета, имеющихся частот опроса параметров достаточно для их точного восстановления и не достаточно для восстановления динамических приращений нагрузок. Повторяемость приращений переменных нагрузок (повреждаемость) определяется с некоторой погрешностью (обусловленной осреднением статистических связей) в каждом конкретном полете (режиме), которая уменьшается с увеличением числа «осредняемых» полетов.

Примеры используемых зависимостей при мониторинге усталостной повреждаемости и экстремальных нагрузок. Зависимости получены по результатам тензометрии при летных испытаниях двух современных самолетов: пассажирского и самолета-амфибии (используемого на пожаротушении). Для пассажирского самолета рассматривается нагружение нижних и верхних панелей в 6 сечениях крыла, силы и моменты в центре масс двигателей (на пилонах под крылом), усилия на носовую и главные опоры шасси. Для амфибии - изгибающие моменты в сечениях крыла и лодки, усилия на двигатель.

Средние нагрузки функционирования на режимах полета с гладким крылом и стояночные нагрузки восстанавливаются по регистрируемым за режим параметрам полета с учетом веса топлива и коммерческой загрузки. Для режимов полета с выпущенной механизацией и торможения интерцепторами делается дополнительная корректировка. В качестве примера на рис. 1 приведено отношение средних установившихся изгибающих моментов по размаху крыла на этих режимах к средним моментам при полете с гладким крылом.

На рис. 2 на примере второго сечения крыла (2отн=0,25) показаны некоторые из используемых зависимостей по режимам полета для определения эквивалентного по усталостной повреждаемости значения максимума отнулевого цикла изгибающего момента (Мизг2экв). Результаты приведены для нижней панели крыла (+) и верхней панели (-).

Рис. 1. Относительные изгибающие моменты по размаху крыла

Рис. 2. Зависимости по режимам полета

1.5

0.5

2.5

1.5

0.5 О

у = 0.6683Х + 0.3821

1.2

Ny max

у = 0.3738х + 1.0733

1.2

Ny max

Неспокойный воздух

| ♦ Мизг2 max / Мгп |

Торможение интерцепторами

| ♦ Мизг2 max / Мгп |

Пробег

| ♦ Мизг2 max / Мгп"

• 1.5    _л______________________________________________

  у = 0.27х + 0.6653

1.4             1.5              1.6

Ny max

Пробег _________________

♦ Мизг2 min / Мст

• 1.5__г ' т -

• 1__♦_________

  у = -1.3897х + 2.3333 0.5_________________________________________

0.5            0.6            0.7            0.8

О J_______________________________,_______________________________,______________________________,

Ny min

1.1     1.15     1.2     1.25

1.3     1.35

Ny max

Руление

| ♦ Мизг2 max / Мст |

Рис. 3. Минимальные и максимальные нагрузки на разных режимах

Обозначения: Мгп – момент горизонтального полета при вертикальной перегрузке самолета Nу=1; Мст – стояночное значение момента; Nуэкв – эквивалентная по повреждаемости вертикальная перегрузка; СКОNу – среднеквадратичное значение вертикальной перегрузки. Минимальные и максимальные нагрузки, используемые для восстановления повреждаемости от цикла земля-воздух-земля находятся с помощью статистических связей между экстремальными нагрузками и экстремальными значениями перегрузок (рис. 3).

Аналогичные зависимости для эквивалентных изгибающих моментов в сечениях крыла (нерв.6-7) и лодки (Шп. 33), вертикальных (Nу двиг.) и боковых (Nz двиг.) эквивалентных перегрузок в центре масс двигателя амфибии приведены на рис. 4 (режим забора воды) и рис. 5 (сброс воды на пожар). На рис.6 показано влияние частоты опроса на условную повреждаемость по вертикальной перегрузке.

о 40

S 30 о

I Ю

5 о

* Нерв.6-7 — Лин. апр.

-107.59х + 46796

0.00    0.05     0.10     0.15    0.20     0.25

СКОпу

СКОпу

2.5

Ш M ft

2.0

v пу_дв

— Лин. апр.

c

о

1.5

ТУ” *•'

0.6 т п °'5

0.4-

1.0

v /?2_ДВ — Лин. апр.

5 с

0.5

y = -0.2826x+17579

о со

0.0J______________________._____________________.______________________.______________________.______________________.

0.00     0.05     0.10     0.15     0.20     0.25

СКОпу

0.3--

0.2--

0.1--

0.0____

0.00    0.05

♦    ♦

t

у = -0.0828X + 0.3902

0.10    0.15    0.20     0.25

СКО пу

Рис. 4. Эквивалентные изгибающие моменты (режим забора воды)

♦ Нерв.6-7 — Лин. апр.

у = -121.23х + 89.316

о

о

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

СКО пу

’ Шп.ЗЗ — Лин. апр.

у =-300.33х+ 145.94

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

СКО пу

1.6

* пу_дв

— Лин. апр.

ч 1.2.

0.45 оо S6 -о

“ 0.8 п

^0.4

у = -0.6457х + 1.3866

0.0J----------------.-----------------.-----------------.-----------------.-----------------.----------------.-----------------.-----------------.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

СКОпу

ш ш1 0.15

с

’ Л2_ДВ

— Лин. апр.

е

у = -0.2642Х + 0.3397

O.OOl--------------.-------------.--------------.-------------.--------------.-------------.--------------.-------------.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

СКО пу

Рис. 5. Эквивалентные изгибающие моменты (режим сброса воды)

Исследование точности восстановления переменной нагруженности и накопленной усталостной повреждаемости желательно проводить, используя записи тензометрии целого полета (с момента запуска двигателей до их выключения), а не по режимам. В табл. 1 приведен пример анализа точности системы мониторинга самолета-амфибии (СБИ – непрерывная тензометрия полета, Ресурс – вычисление по алгоритмам; 6 – полет на пожаротушение, 1 – транспортный полет, 7 – тренировочный полет; материалы представлены Клепцовым В.И.). Видно, что с увеличением числа осредняемых полетов точность нахождения повреждаемости увеличивается (k– коэффициент равный отношению накопленной за предыдущие полеты повреждаемости, полученной в системе мониторинга, к повреждаемости, рассчитанной по данным тензометрии). Суммарная повреждаемость за 10 полетов по сечению крыла отличается от истиной на 12% (в запас), а по сечению лодки на 3% (не в запас), в то время, как это следует из таблицы, самый тяжелый полет отличается от самого легкого в 67 раз.

Отношение повреждаемости от вертикальной перегрузки с

Рис. 6. Влияние частоты опроса на условную повреждаемость

Таблица 1. Анализ точности системы мониторинга

№	Тип полета	Корневое сечение крыла, Мэкв, т*м			Средняя часть лодки, Мэкв, т*м
		СБИ	Ресурс	k	СБИ	Ресурс	k
1	6	330,6	355,0	1,330
2	6	222,7	255,7	1,399	270,4	299,5	1,51
3	1	174,6	179,3	1,382
4	6	271,6	276,9	1,303	307,8	287,1	1,04
5	6	307,8	310,9	1,224	300,4	293,9	0,99
6	6	342,0	340,1	1.146	315,2	316,4	1,00
7	1	151,9	151,7	1,145	211,5	213,7	1,00
8	1	140,9	143,5	1,144	192,2	174,5	0,99
9	1	211,4	190,9	1,123
10	7	126,4	123,9	1,122	227,5	205,3	0,97

Возможности повышения точности мониторинга. Горизонтальное оперение (ГО) является одним из самых сложных агрегатов с позиций восстановления нагрузок, поскольку на него влияют скосы потока за крылом (отклонения предкрылков, закрылков, интерцепторов, колебания). Зная величины крутящих (Мкр) и изгибающих (Мизг) моментов, перерезывающих сил (Qy) в бортовом сечении ГО, вертикальное усилие на винте механизма перестановки стабилизатора (МПС) можно определить по формуле (см. рис. 7):

S=2/B*(Mкр*cos(χ)-Mизг*sin(χ)+Qy*A),     (1)

где χ – угол стреловидности оси жесткости ГО.

На рис.8 показано сравнение усилия S, полученного в одном из режимов полета рассматриваемого самолета непосредственно измерением и расчетом по формуле (1), используя теоретические соотношения с поправками некоторых аэродинамических производных по результатам летных испытаний. Частота опроса тензометрии и параметров полета 64 Гц. Демонстрируется очень хорошее соответствие не только по нагрузкам функционирования (которое можно еще улучшить, учитывая несимметричность обтекания левой и правой половин ГО), но и по динамическим наложениям нагрузок. Т.е. увеличение частоты опроса ведущих параметров, регистрируемых на аварийный или эксплуатационный накопитель, позволит отказаться от статистических подходов в мониторинге и повысить точность восстановления повторяемости переменных нагрузок в каждом конкретном полете.

\х ПСС

Рис. 7. Крутящие и изгибающие моменты в бортовом сечении ГО

Рис. 8. Сравнительный анализ усилия S

Статистические закономерности переменного нагружения в реальной эксплуатации. На рис. 9 и 10 представлены интегральные частости максимальных перегрузок за воздушные и наземные режимы. На рис. 11 и 12 показаны связи максимальных перегрузок с условной повреждаемостью по перегрузке (повторяемостью).

Основные положения, используемые при разработках квазислучайных программ натурных усталостных испытаний, сформулированы ~ 30 лет назад [2] и не подтверждаются исследованиями нагруженности в реальных условиях эксплуатации:

̶ не подтверждается логарифмически нормальный закон максимальных за полет нагрузок (см. рис. 9 и 10);

̶ не подтверждается «подобие» повторяемости нагрузок: максимальной нагрузке не соответствует максимальная повторяемость (в таких программах максимальная повторяемость в сотни раз превышала среднюю повторяемость, в то время как из рис. 11 и 12 следует, что это отношение не превышает 10, а при максимальной перегрузке составляет 3-5).

Рис. 9. Интегральные частости максимальных перегрузок (воздушный режим)

Рис. 10. Интегральные частости максимальных перегрузок (воздушный режим)

Рис. 11. Повреждаемость в воздухе

Рис. 12. Повреждаемость на земле

На рис. 13 приведены результаты рассеивания индивидуальной нагруженности ( на основании обработки записей вертикальной перегрузки штатного регистратора МСРП с 27 бортов самолета Як-42 четырёх авиакомпаний с суммарным налетом ~ 15000 полетов). Видно, что в данных конкретных условиях самый нагруженный борт превышает среднюю нагружен-ность в воздухе в 1,6 раза, а на земле – в 1,9 раза, что необходимо учитывать при установлении ресурса парку самолетов и при проведении регламентных работ.

Результаты мониторинга повторяемости нагрузок в сегодняшней эксплуатации. Проведена обработка реализаций вертикальных перегрузок самолета по данным штатного аварийного регистратора в условиях реальной эксплуатации с получением условной повреждаемости. Частота опроса равна 8 Гц, датчик стоит в районе 10 шпангоута (для поправки полученных значений на частоту опроса необходимо их увеличить в 4 раза). Обработано 2600 полетов современного самолета.

Фукция распределения максимальных средних повреждаемостей, отнесенных к средней повреждаемости по всем аэропортам, в выборках с различным числом полетов по бортам. Воздушные режимы

Относительная условная повреждаемость по перегрузке в ц.т. самолета

Длина выборки 50 полетов

Длина выборки 100 полетов

Длина выборки 200 полетов

Длина выборки 400 полетов

Длина выборки 600 полетов

Фукция распределения максимальных средних повреждаемостей, отнесенных к средней повреждаемости по

Относительная условная повреждае мость по пе ре грузке в ц.т. самоле та

Рис. 13. Рассеивание между экземплярами самолета

Из приведенной информации на рис. 14 следует:

• -    повторяемость нагрузок (усталостная повреждаемость) на аэродромах России в 1,32 раза выше, чем на всех остальных аэродромах («Европа») и в 2,08 раза выше, чем в «старой Европе» (исключены аэродромы бывших республик СССР);

• -    повторяемость нагрузок (усталостная повреждаемость) на аэродроме Раменское (где проводятся «МАКС»ы) в 1,23 раза выше, чем в среднем по России;

• -    в случае базирования авиакомпаний в разных аэропортах усталостная повреждаемость планера и шасси на наземных режимах эксплуатации может отличаться в разы, что говорит о необходимости мониторинга;

• -    необходим ремонт аэродромов Краснодар, Нижний Новгород, Волгоград, Самара, Челябинск, Новосибирск, Тюмень, Раменское (самым хорошим аэродромом оказался Геленджик – построен 3 года назад).

  

  Рис. 14. Средняя повреждаемость на земле