基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱建模方法

本发明涉及航空发动机载荷谱，具体是基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱建模方法。

背景技术：

1、航空发动机随飞机工作时，飞机飞行状态、姿态等会使发动机产生不同程度的惯性载荷过载，对航空发动机整机而言，机动载荷谱一般是指发动机的惯性过载谱。法向过载谱是典型的航空发动机机动载荷谱，也是典型的与使用相关的载荷谱。航空发动机载荷谱的仿真是通过总结和统计载荷特征，建立载荷特征的数学模型，再根据数学模型获得载荷谱仿真结果。机动载荷谱载荷特征数学模型的建立以及机动载荷谱的仿真是机动载荷谱编制的重要基础，对现役发动机整机及零部件寿命研究和定寿延寿有重要工程意义，另外机动载荷谱载荷特征的数学模型和仿真结果也是机动飞行载荷谱预测的重要基础，是未来新研发动机的寿命设计、可靠性试验以及制订寿命管理的重要依据。航空发动机载荷谱的编制和预测结果可为航空发动机寿命设计和试验提供载荷依据。目前国内机动载荷谱的仿真研究普遍是以飞行任务剖面为研究对象，通过以任务剖面为单位统计机动载荷的峰值、持续时间、等待时间等载荷特征，建立载荷特征的数学模型。目前应用于航空发动机机动载荷谱仿真的方法主要有：

2、文献“操作相关的发动机载荷谱模型与仿真研究[j].推进技术，2000”统计分析了某型发动机重心法向过载谱的载荷特征规律，采用泊松随机过程描述到达时间和持续时间等载荷特征参数，采用半正弦信号进行了机动载荷谱的仿真。

3、文献“基于任务段数据库的机动飞行载荷谱的仿真[j].推进技术，2002”采用泊松随机过程建立了机动飞行载荷谱的持续时间和到达时间的数学横型，采用三参数威布尔分布建立了机动飞行载荷谱的峰值的数学横型，提取并建立了机动载荷片段数据库，提出了基于数据库的机动飞行载荷谱的仿真方法。

4、专利号为：cn108717474a，名称为“一种与使用相关的航空发动机综合任务谱编制方法”，根据载荷变化特征将机动载荷划分为五大类典型任务段，每一类任务段代表一类有相似变化特征的载荷片段，对每一类典型任务段建立数学模型并得到分布参数，采用三角波进行了机动载荷谱的仿真。

5、上述航空发动机载荷谱仿真方法均以飞行任务剖面为研究对象，但任务剖面的载荷特征非常复杂，以任务剖面为单位统计载荷特征一方面使统计样本减少从而容易导致统计规律拟合不准确，另一方面也无法体现机动载荷与实际飞行动作相关的特征，因此以任务剖面为单位进行机动载荷的特征统计以及机动载荷谱仿真，其精度都难以保证，且无法体现出机动载荷谱与飞行动作相关的重要特征。因此，有必要提供一种简单有效、能够体现机动载荷与飞行动作相关的、以代表实际飞行动作的发动机飞行任务段为研究对象且基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱仿真方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱建模方法，以改变目前机动载荷谱仿真以任务剖面为单位，统计样本不足、统计规律拟合不够准确、无法体现机动载荷与实际飞行动作相关的特征的现状，为发动机整机及零部件机动载荷谱编制、新机设计机动载荷谱预测奠定基础，对发动机整机及零部件寿命研究和定寿延寿有重要工程意义。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明是基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱建模方法，包括如下操作：

4、采集航空发动机实测载荷谱的飞行任务剖面数据；

5、对各飞行任务剖面数据进行分解，划分飞行任务段，并根据飞行任务段的划分结果提取各类机动任务段，其中各类机动任务段包括确定性机动任务段、代表典型机动飞行动作的机动任务段、衔接类机动任务段；

6、建立代表典型机动飞行动作的机动任务段的极限载荷特征的数学模型，并检验模型精度；

7、对飞行任务段进行细分，再根据飞行任务段的细分结果细分代表典型机动飞行动作的机动任务段；

8、对各类机动任务段进行预处理；

9、统计衔接类机动任务段的载荷特征，建立衔接类机动任务段的载荷特征的数学模型，并检验模型精度；

10、统计除包括衔接类机动任务段之外的其余各类机动任务段的载荷特征，建立对应的各类机动任务段的载荷特征的数学模型，并检验模型精度；

11、根据各类机动任务段的载荷特征的数学模型的建模结果，对各类机动任务段进行仿真；

12、基于各类机动任务段的仿真结果，对机动载荷谱进行仿真；

13、将得到的机动载荷谱仿真结果和常规基于任务剖面分析的机动载荷谱仿真结果与原始机动载荷谱作对比，验证仿真方法的有效性和仿真结果的准确性。

14、本发明的进一步改进在于：对各飞行任务剖面数据进行分解，划分飞行任务段，并根据飞行任务段的划分结果提取各对应的类机动任务段，包括：将各飞行任务剖面数据划分为确定性载荷类飞行任务段和中间机动动作类飞行任务段，其中确定性载荷类飞行任务段包括起飞、起飞后爬升、降落下滑、降落小航线、着陆类飞行任务段，中间机动动作类飞行任务段为各飞行任务剖面中起飞后爬升段和降落下滑段中间的飞行任务段，对中间机动动作类飞行任务段再根据飞行动作划分出代表各种动作的飞行任务段，其中包括代表典型机动飞行动作的飞行任务段和代表飞行员随机操作的用于衔接前后机动飞行动作的衔接类飞行任务段，根据飞行任务段的划分结果提取得到对应的各类机动任务段。

15、本发明的进一步改进在于：建立代表典型机动飞行动作的机动任务段的极限载荷特征的数学模型，包括：统计代表典型机动飞行动作的各类机动任务段反映极限载荷特征的极值载荷分布特征，采用广义帕累托模型拟合极值载荷超阈量的分布，其中广义帕累托模型的表达式为：

16、

17、其中，y为极值载荷超阈量，y＝x-u，u为极值载荷提取阈值，x为根据极值载荷提取阈值u提取的极值载荷，ξ为广义帕累托模型的形状参数，σ为广义帕累托模型的尺度参数。

18、本发明的进一步改进在于：对飞行任务段进行细分，包括：根据高度和高度变化量对确定性载荷类飞行任务段进行细分，对代表典型机动飞行动作的中间机动动作类飞行任务段根据动作高度、高度变化量、速度、角度变化量进行细分。

19、本发明的进一步改进在于：对各类机动任务段进行预处理，包括：去除随机扰动和雨流滤波，其中以1为阈值对划分的任务段去除随机扰动，然后以0.3为滤波阈值对去除随机扰动后的机动任务段进行雨流滤波处理。

20、本发明的进一步改进在于：统计衔接类机动任务段的载荷特征，建立衔接类机动任务段的载荷特征的数学模型，包括：对衔接类飞行任务段的载荷特征进行统计，载荷特征包括持续时间分布特征、等待时间分布特征和反映疲劳损伤的疲劳载荷特征，其中疲劳载荷特征为载荷峰值的分布特征，采用指数分布拟合持续时间及等待时间的分布，得到对应的指数分布模型，采用三参数威布尔分布拟合峰值的分布，得到对应的三参数威布尔分布模型。

21、本发明的进一步改进在于：统计其除包括衔接类机动任务段之外的余各类机动任务段的载荷特征，建立对应的各类机动任务段的载荷特征的数学模型，包括：起飞类和着陆类的机动任务段的载荷特征为持续时间分布特征，除起飞类和着陆类的机动任务段、衔接各类机动任务段之外的其余各类机动任务段的载荷特征为持续时间分布特征、等待时间分布特征、峰值数、峰值的分布特征，采用指数分布拟合持续时间和等待时间的分布，得到对应的指数分布模型，采用三参数威布尔分布拟合峰值大小的分布，得到对应的三参数威布尔分布模型。

22、本发明的进一步改进在于：根据各类机动任务段的载荷特征的数学模型建模结果，对各类机动任务段进行仿真，包括：采用拟合得到的指数分布模型，取随机数获得持续时间和等待时间，采用拟合得到的三参数威布尔分布模型，取随机数获得峰值，采用单个正弦波对各类单载荷片段的机动任务段进行仿真，采用多个正弦波叠加的方式对各类多载荷片段的机动任务段进行仿真。

23、本发明的进一步改进在于：基于各类机动任务段的仿真结果，对机动载荷谱进行仿真；具体包括：基于各类机动任务段的仿真结果，按飞行任务剖面中动作的顺序和类型将各类机动任务段的仿真结果进行拼接，获得基于飞行任务段分析的机动载荷谱的仿真结果。

24、本发明的有益效果是：本发明提出了一种航空发动机机动载荷谱仿真方法，打破以往将任务剖面为研究对象的传统研究方法，采用基于飞行动作划分的飞行任务段作为分析和仿真对象，各类飞行任务段具有独立的载荷特征；

25、本发明提供了一种更准确的机动任务段载荷特征统计分析方法，采用更全面的载荷特征统计方法和更精确的载荷特征数学模型，有效统计了航空发动机机动载荷的极值载荷特征和疲劳载荷特征，将基于该方法获得的各类机动任务段的建模结果作为机动载荷谱预测编制的基础，可以有效提高机动载荷谱的计算精度。

26、本发明提出的基于飞行任务段分析的航空发动机机动载荷谱仿真方法简洁高效且具有较强的通用性，能够适用于各型和各代航空发动机机动载荷谱的仿真工作，具有广泛的工程应用价值。