模块化设计方法在飞机结构强度试验中的应用

模块化设计方法在飞机结构强度试验中的应用

王久龙 1 李黎明 2 张健峰 3 于国庆 4 蔡明程 5

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：本文针对飞机结构强度试验展开研究，传统强度试验采用串式工作模式，且试验各工况间工作独立，完成一种工况后全部拆卸试验设备，再进行下一种工况试验，该模式存在重复劳动多、试验换装量大和试验效率低等问题，为此提出了一种模块化设计方法，即试验加载点的若干设计要素模块化、形成标准接口，实现不同工况试验中试验设备一次安装到位、多次使用的一种思路。最后在全机静力试验中得到应用，取得良好效果，表明该方法的可行性、有效性。

关键词：结构强度试验；模块化设计；并行工程；

一、传统模块化设计技术概述

一般认为,模块化设计是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过模块的选择和组合构成不同的产品,从而满足市场不同需求的设计方法,。模块化系列产品是由一组特定的模块,在一定范围内组成多种不同功能或相同功能不同性能的产品。模块就是机械系统中结构独立、模块之间存在标准接口,且具有一些功能的零件、组件或部件所构成,也即模块是一组同时具有相同功能和相同结合要素,却具有不同性能或用途甚至不同结构特征,但能互换的单元,模块可分为基本模块实现必不可少功能的模块、辅助模块在基本模块之间起连接组合等辅助功能的模块及可选模块为满足一些可选的功能而特别增加的模块,其中各个模块包含能够行使相同功能不同性能的若干模块实例。模块化是标准化原理的具体应用。模块化是通用化的前提,通用化是模块化的度量准则之一,模块化、通用化是标准化的精华,是标准化的重要内容和主要形式,产品标准化和模块化的程度是产品设计水平高低的重要标准。模块化和通用化设计是适应机电一体化技术发展趋势的现代设计方法。模块化设计方法不同于传统设计方法,主要表现在传统设计方法是针对某一特定设计任务,在经验的支持下,从具体结构形式分析出发,采用自下而上的基于规则和元知识的整体设计过程,设计方案结果是一个产品而模块化设计是使用完善的模块化设计过程,采用自上而下、任务驱动的方式,新产品的设计工作可通过对模块进行选取、变型、组合和修改完成,从而使机械设计周期大大缩短。

二、模块化设计方法

1.飞机结构强度试验模块化设计方法是相对传统的串行工作模式而提出的一个概念，是集成地、并行地研制飞机及其相关各种试验过程的系统设计方法，要求设计团队在设计之初就全局考虑，以减少结构强度试验过程中的不必要返工，为后续试验现场实施提供保障，最终提高飞机强度试验质量，降低成本，缩短研制周期。在飞机结构强度试验中，需要用有限的加载点来模拟几十种甚至上千种试验载荷工况，因此要完成一种工况试验，必须要完成该工况下若干个加载点的设计，而每个加载点的设计又包括诸多要素。假设一个加载点包括h个设计要素，那么一个加载点的设计要素集合可表示为:T=t1，t{}2，…，th(1)模块化设计方法就是针对加载点的设计要素展开研究，通过分析比较各工况下加载点的特征，不难发现诸多工况下存在相同的加载点，只是这些加载点的某些设计要素有所改变。在综合分析各工况下加载点的设计要素后，可将集合T划分为两部分:不变量集A和变量集B。因此，集合T亦可表示为:T={}A，B(2)式(2)中，不变量集A中的元素表示与具体加载点脱钩的设计要素，即这些要素不需要加载点的具体信息就可以完成设计。综合考虑所有试验工况后，此部分可形成一个标准化接口，一次设计完成后，可供多个工况使用，从而达到一次安装到位、多次使用、最大限度降低试验换装量的目的。变量集B中的元素表示与各个加载点密切相关的设计要素，此部分需要根据具体的加载点信息来设计。采用模块化设计方法，要完成一个加载点的设计，仅需要完成变量集B中元素的设计，试验实施过程中不同工况间仅需要完成该部分换装即可，较传统试验中一个加载点的设计需要完成整个集合T中所有元素设计，试验实施过程中不同工况间需要全部换装来说，大大降低了试验工作量，提高了试验效率。

2. 设I={i1，i2，…，iN}是N个不同试验工况的一个飞机结构强度试验集合，其中ik(1≤k≤N)表示试验中的第k个工况。若飞机结构强度试验集合I中的N个工况略去相同的加载点后有M个互不相同的加载点，采用模块化设计方法，试验之初首先将M个加载点全部安装完毕，各工况试验时只需要完成所需加载点中的变量集B中要素的换装即可。假设试验之初完成M个加载点的工作量矩阵为T0，该矩阵共M行h列，即一行表示一个加载点设计元素工作量向量，每个加载点含有h个设计要素，前p个设计要素为集合A中的元素，后h－p个设计要素为集合B中的元素。

G0=sumT0(3)

其中，G0表示工作量，sumT0表示矩阵T0中所有元素之和。第k(1≤k≤N)个工况试验时，工作量矩阵用Tk表示，工作量用Gk表示。

Gk=sum(Tk－Tk∩Tk－1)(4)

其中，Tk∩Tk－1表示矩阵Tk和Tk－1共有的元素。实际上，针对每个加载点来说，仅需要完成集合B中元素的设计即可。因此，Tk(1≤k≤N)中A集合的元素是完全相同的，不同之处在于集合B中元素。式(4)可表示为:

Gk=sumBk(5)

采用模块化设计方法，飞机结构强度试验N个工况的工作量为:

G0+G1+…+GN=sumT0+∑Nk=1sumBk(6)

传统方法飞机结构强度试验N个工况的工作量为:

∑Nk=1sumTk=∑Nk=1sum(Ak+Bk)(7)

由于sum(T0)∑Nk=1sumAk，比较式(6)和式(7)可知，采用模块化设计方法后，工作量远远小于传统方法的工作量。

三、工程应用

飞机结构强度试验的模块化设计方法目前已经在某型号飞机静力试验中得到了应用，该试验分为5种全机工况，每种工况含有上百个加载点，每个加载点包括13个设计要素，分别为坐标、载荷、作动筒、油路、油管、传感器、传感器控制线路、电磁阀、电磁阀线路、伺服阀、伺服线路、点号和杠杆系统。分析可知，加载点的设计要素中，不变量集A由10个设计要素组成，分别为坐标、作动筒、油路、油管、传感器控制线路、电磁阀、电磁阀线路、伺服阀、伺服线路和杠杆系统，变量集B由3个设计要素组成，分别为载荷、传感器和点号。

该试验每个工况加载点数如表1所示，5种工况共有180个互不相同的加载点。

假设每个加载点的13个设计要素的工作量均为a。由式(6)可知，采用模块化方法的工作量为:

G0+G1+G2+G3+G4+G5=4260a(8)

由式(7)可知，传统方法的工作量为:

∑Nk=1sumTk=8320a(9)

比较式(8)、式(9)可知，工作效率提高了:

8320a－4260a8320a=48.8%(10)

由式(8)－式(10)可知，采用模块化方法后工作量为4260a，而传统方法的工作量达8320a，工作效率提高了48．8%，省去了近一半的工作量。由此可见，采用模块化设计方法后，试验工作量得到大大降低，从而提高了试验效率。

参考文献：

[1]马登武,叶文,于凤全,等.虚拟现实技术及其在飞行仿真中的应用，北京:国防工业出版社,2005

[2]赵谋周,万亚锋,刘存,等.大型飞机机翼强度设计与验证技术，工程与试验,2017