1.2.2 飞机载荷谱

飞机结构在使用中所受到的载荷包括静载荷、动载荷、疲劳载荷和热载荷。疲劳载荷有以下主要特征：一是交变载荷；二是反复多次作用于飞机结构上。从这个角度来说，疲劳载荷也称重复载荷，即疲劳载荷是一种交变的重复载荷，而载荷谱则是对这种交变重复载荷的描述。由于载荷谱总是在飞机使用中才会产生，因此，人们通常把载荷谱称为使用载荷谱。

1.疲劳载荷源

作用于工程结构上的疲劳载荷有两个主要来源：结构环境和结构使用。

结构环境指工程结构在使用过程中所经受的环境因素。以飞机结构为例，从环境位置来说包括飞机外部环境和内部环境；从载荷状态来说包括空中环境和地面环境；从环境性质来说包括载荷环境和腐蚀环境，载荷环境会带来飞机结构的疲劳破坏，而腐蚀环境会带来飞机结构的腐蚀损伤。这两种环境都直接决定飞机结构的使用寿命，只不过前者（载荷环境）主要决定飞机结构使用寿命的两个重要指标——飞行小时和起落次数，后者（腐蚀环境）主要决定飞机结构使用寿命的另一个重要指标——飞机日历年限。

就飞机载荷环境而言，主要包括如下几种：大气紊流所引起的阵风载荷、跑道不平度所引起的滑行载荷、结构振动所引起的振动载荷、航空噪声所引起的声载荷、飞机局部热源或高速战斗机气动加热引起的热载荷等，它们既属于飞机载荷范畴，又是飞机使用环境。

结构使用是指能产生载荷的结构操作。以飞机结构为例，它主要包括空中操作和地面操作，例如，发动机地面开车、功能检查、顶起、牵引、转弯、机动飞行、操纵系统工作、地形跟踪飞行、座舱增压、着陆撞击、刹车、地—空—地循环等。

2.载荷谱含义

载荷谱包括以下三层含义：

（1）载荷谱是一种客观存在。从谱的原始表现形态来看，载荷谱主要表现为载荷大小随时间的变化，即载荷时间历程，如图1-3所示。

（2）载荷谱又是一种主观产物，是主观对客观的反映。因为任何原始形态的载荷时间历程因种种原因不可能直接用于结构的疲劳分析或疲劳试验，必须要经过一定的改造制作工夫，也就是要把客观的载荷时间历程编制成使用载荷谱。另一方面，从工程结构设计角度来看，在新产品未使用之前，还不存在这种客观的载荷时间历程，必须根据产品相关标准、资料或以往类似产品的使用数据及经验来编制设计使用载荷谱。

（3）从载荷谱编制的角度来看，载荷谱实质上是工程结构使用中各级载荷大小出现频数的排列，因此，载荷谱有三个基本要素：载荷大小、出现频数和先后顺序，它们各自对结构使用寿命带来直接影响，这三个缺一不可。从某种程度上来说，编制使用载荷谱的过程实质上就是把疲劳载荷的时域转换为频域的过程，也是按可靠性设计要求对疲劳载荷进行统计分析的过程。

载荷谱中的一个交变载荷就是一个载荷循环，一个载荷循环的载荷大小通常可用5个参数来描述：最大载荷、最小载荷、载荷幅值（或载荷变程）、载荷均值和载荷比。为便于说明，这里用如图1-4所示的常幅应力谱来代表载荷谱，其载荷大小变成相应的应力大小。设最大应力为Sma x和最小应力为Smin。定义应力幅值Sa、应力均值Sm、应力比R分别为

若应力比R=-1，则称为对称循环疲劳载荷；若R=0，则称为脉动循环疲劳载荷。5个参数中只要知道其中任意两个，就可求出其他三个。

载荷出现频数是指某一载荷谱块中各级载荷出现的次数。一个载荷谱块可大可小，最大的可用一个寿命期作为一个载荷谱块，小的可用一次飞行或一个任务段时间作为一个载荷谱块，比较常用的是用1000飞行小时、100飞行小时的整数倍、飞行训练大纲的一个训练周期或一年的飞行时间作为一个载荷谱块，一个载荷谱块也称一个载荷谱周期。一个载荷谱周期载荷出现频数有两种表示法：各级载荷大小实有出现频数和累积出现频数。

载荷顺序指载荷谱中各级载荷大小排列的先后次序，载荷顺序既包括一个载荷谱块内各级载荷大小的排列顺序，也包括一个谱块内各种任务及各次飞行的排列顺序。

3.飞机载荷谱分类

1）按疲劳载荷来源分

可分为机动载荷谱、阵风载荷谱、座舱增压谱、着陆撞击谱、滑行谱、地面操纵载荷谱（包括刹车、转弯、牵引、打地转、最小半径转弯、发动机地面试车等）、振动谱、声载荷谱、热载荷谱等。

2）按编谱目的分

（1）过载谱。根据飞机三向过载（主要是重心法向过载）的时间历程而编制的谱，该谱用于评价载荷谱的严重程度，且作为编制飞机部件载荷谱或应力谱的基本输入。

（2）试验载荷谱。主要用于飞机元件、构件、部件或全机疲劳、耐久性或损伤容限试验。

（3）应力谱。主要用于估算飞机结构关键部位的疲劳寿命，并用于进行疲劳及断裂分析。

3）按飞机型号全寿命管理周期分

（1）设计使用载荷谱。在飞机设计阶段为进行疲劳/断裂分析和疲劳、耐久性和损伤容限试验所编制的载荷谱。

（2）服役使用载荷谱。在飞机服役期间（包括领先飞行期间）通过专门测试设备的飞行实测或使用寿命监控所编制的载荷谱。服役使用载荷谱也称实测载荷谱。从飞机使用寿命监控角度来说，服役使用载荷谱包括基准使用载荷谱和单机使用载荷谱。

4）按使用寿命监控的飞机范围和数量分

（1）单机使用载荷谱。飞机机队中每架飞机在整个使用寿命期内的载荷经历，一般通过单机监控获得。

（2）飞机机队基准使用载荷谱。代表飞机机队基准使用情况的载荷谱，一般通过机队抽样监控获得。

（3）飞机基准使用载荷谱。代表某一型号飞机所有机队基准使用情况的载荷谱。换句话说，它是该型飞机所有机队的加权基准使用载荷谱。

现代飞机往往具有多用途能力，会执行各种不同的任务，战术技术和训练方法也会发生很大变化。不仅机队飞机实际的使用情况和设计预定的使用情况有显著差别，各个机队之间的使用情况也不相同，单架飞机的使用情况与机队基准使用情况也有显著差别。单机使用载荷谱有的要比机队基准使用载荷谱严重，有的则要轻得多。机队基准使用载荷谱和飞机基准使用载荷谱之间也有类似的情况。因此，很有必要编制这几种不同类型的服役使用载荷谱。

5）按载荷顺序分

（1）无顺序载荷谱。指各级载荷大小的实有频数或累积频数。在这种谱中，没有载荷顺序的信息。这种谱主要用做编制飞-续-飞谱或程序块谱的直接输入，还可用于判断和比较各种载荷谱的严重程度。

（2）等幅谱。载荷大小为某一定值的载荷谱，其载荷顺序很显然是单一的，如图1-4所示。这种谱主要用于材料疲劳性能试验，也用于疲劳分析方法的研究，有时还用于比较两个结构疲劳性能的优劣。

（3）程序块谱。在一个载荷谱块（如100飞行小时或一个飞行训练周期）中载荷顺序为某种固定顺序的载荷谱。固定的载荷顺序一般为低—高—低、低—高或高—低等，如图1-5所示。

（4）飞—续—飞谱。按一次飞行接着一次飞行所构成的载荷谱。在一次飞行或一次飞行的一个任务段中，载荷顺序可以是随机的，也可以是程序化的。各次飞行之间的排列可以是随机的，也可以是程序化的。飞—续—飞谱从不同角度还可以分成若干种类，这在后面将提到。

值得一提的是，程序块谱和飞—续—飞谱既可以是试验谱，也可以是应力谱。换句话说，这两种谱根据不同的目的，既可以用作疲劳/耐久性/损伤容限试验，也可以用作寿命估算和疲劳/断裂分析。

6）按任务剖面形式分

（1）任务段谱。以任务段作为编谱单元编制的载荷谱。

（2）任务谱。以各种任务的一次飞行作为编谱单元编制的载荷谱。一般来说，它由任务段谱导出，也可直接从实测结果给出。

（3）总谱。按飞机所有使用情况编制的载荷谱，可由任务段谱或任务谱导出。

7）按实测载荷谱编制方法分

（1）传统均值载荷谱。按传统均值载荷谱编制方法编制的实测载荷谱。

（2）代表起落随机载荷谱。按代表起落随机载荷谱编制方法编制的实测载荷谱。

8）按零部件载荷传递方式分

可分为弯矩谱、剪力谱、扭矩谱、拉压载荷谱。

9）按谱的严重程度分

（1）平均谱。按飞机使用分布内的平均使用情况编制的载荷谱。

（2）严重谱。按飞机使用分布内的严重使用情况编制的载荷谱。