高清可复制 HB 8665-2022 民用飞机声疲劳试验要求

　　ICS 49.020 V 36

　　HB 8665-2022

　　民用飞机声疲劳试验要求

　　Requirements for sonic fatigue test of civil airplane

　　2022-04-24 发布 2022-10-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1.1-2009《标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：中国飞机强度研究所、中国航空综合技术研究所。

　　本标准主要起草人：郭定文、黄文超、孙 巍、张 立、屈 超、王 琰、刘秦智。

　　民用飞机声疲劳试验要求

　　1 范围

　　本标准规定了飞机结构声疲劳试验的试验目的、试验任务书、试验大纲、试验项目、试验程序等要求。

　　本标准适用于民用飞机声疲劳试验，其他飞机可参考使用。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GJB 150. 17A-2009 军用装备实验室环境试验方法 第 17 部分：噪声试验

　　3 术语和定义

　　3.1

　　声疲劳 sonic fatigue

　　在声载荷作用下，结构中由脉动压力引起的快速交变应力导致的结构动态疲劳现象。

　　3.2

　　声载荷 acoustic load

　　作用在结构表面上的声学噪声、扰动或分离的附面层脉动压力，或振荡激波压力。

　　3.3

　　1/3 倍频程 one-third octave

　　具有基频比率为 21/3 (即 1.26)的两个信号频率之间的间隔。

　　3.4

　　声压级 sound pressure level

　　声压与基准声压之比的常用对数乘以 20，用分贝(dB)表示。对空气，其基准声压是 20μPa。

　　3.5

　　声载荷谱 acoustic load spectrum

　　对噪声测量中得到的各种状态的噪声数据，按声耐久性分析或试验要求经过数据处理归纳获得的声载荷对频率的关系图。

　　3.6

　　声疲劳试验载荷谱 sonic fatigue test load spectrum

　　按照等效损伤原则确定的对应确定试验时间的声载荷对频率的关系图。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　OASPL——overall sound pressure level，总声压级。

　　5 一般要求

　　5.1 总则

　　民用飞机结构声疲劳试验分为研发试验和适航验证试验两类。对于适航验证试验， 试验大纲应经适航审定部门的批准。

　　5.2 试验目的

　　民用飞机声疲劳试验的目的是：

　　a) 进行结构选型;

　　b) 验证结构设计、声疲劳分析方法和制造工艺质量;

　　c) 暴露结构声疲劳薄弱部位;

　　d) 为确定结构声疲劳寿命提供试验依据。

　　5.3 试验任务书

　　试验任务书由试验委托方提出。试验任务书应包括(但不限于)以下内容：

　　a) 试验名称;

　　b) 试验目的;

　　c) 试验项目;

　　d) 试验件技术状态;

　　e) 声场类型、试验载荷谱及试验持续时间;

　　f) 测量要求及必要的说明;

　　g) 损伤检查、修理及更换要求;

　　h) 试验件失效判据;

　　i) 试验报告要求等。

　　5.4 试验大纲

　　试验承担方应依据试验任务书要求编制试验大纲，并经委托方认可。对于适航验证性试验， 试验大纲还应依据适航要求编制，并经适航审定部门批准。

　　试验大纲内容应包括(但不限于)：

　　a) 试验名称和地点;

　　b) 任务来源和试验性质;

　　c) 试验目的;

　　d) 试验依据;

　　e) 试验件;

　　f) 试验件支持;

　　g) 试验项目和顺序;

　　h) 试验载荷及加载;

　　i) 试验测量;

　　j) 试验数据处理分析要求;

　　k) 试验件检查;

　　l) 试验设备;

　　m) 试验程序;

　　n) 试验风险分析与安全保证措施;

　　o) 质量管理要求与措施;

　　p) 试验结果评定准则(适用于验证性试验);

　　q) 试验重大问题的处理原则与预案。

　　5.5 试验件

　　5.5.1 试验件选取

　　用于声疲劳试验的试验件通常为部件或典型结构件，试验件应根据飞机划分的各个区域来选择，包括(但不限于)以下情况：

　　a) 受到大于 140dB 的预计声压级作用的部件或典型结构件;

　　b) 预计可能会受到严重的声载荷，不能排除由声载荷导致声疲劳破坏的部件或典型结构件;

　　c) 在比预计的环境噪声大 3.5dB 的声压级下，所预计的寿命低于要求寿命的部件或典型结构件;

　　d) 声疲劳研发试验件的数量不少于 6 件，用于结构选型目的的声疲劳试验件数量不少于 6 组。

　　5.5.2 试验件设计

　　为了获得良好的试验效果，建议在设计试验件时遵循以下原则：

　　a) 典型结构试验件，宜包括对声疲劳敏感的所有结构细节，并带有能安装到试验装置上的代表飞机子结构刚度特性的过渡段。加筋结构试验件至少包括两个以上框距或两个以上桁距;

　　b) 部件级试验件，应带有能代表周围结构刚度特性的过渡段。

　　5.5.3 试验件交接

　　试验委托方应按配套交付技术文件的要求，提供经检验合格的声疲劳试验件。

　　试验件由试验委托方在试验现场向试验承担方移交并办理移交手续。试验承担方在确认试验件完好后，按配套目录验收。试验委托方在移交试验件时，应提供试验件质量合格证明文件。

　　5.6 声疲劳试验载荷谱

　　试验委托方在试验任务书中应给出声疲劳试验载荷谱。在制定声疲劳试验载荷谱时， 应考虑对结构声疲劳损伤有影响的各个使用状态，可根据飞行任务剖面、各状态声载荷及持续时间， 采用“状态-区域包线法”，依据等损伤原则制定声疲劳试验载荷谱。

　　5.7 试验设备

　　5.7.1 总则

　　用于声疲劳试验的试验设备均应为完好设备，并具有完好设备标识。所有测量仪器均应经检定校准合格并在有效期内使用。用于适航验证试验时，试验设备和测量仪器的有效期应能覆盖试验周期。

　　5.7.2 行波管

　　行波管为行波试验装置的试验段。行波试验系统通常由气源系统、声源系统、声测控系统和行波试验装置等组成。行波试验装置通常由喇叭段、行波管、过渡段和消声排气段等组成。

　　行波管用于模拟掠入射噪声激励，提供沿管道传播具有给定谱形的宽带随机噪声。适用于表面承受压力脉动(或处于气动紊流中)的结构的声疲劳试验。试验件通常安装在行波管的管壁， 面向管道内的一面承受噪声激励。

　　5.7.3 高声强混响室

　　高声强混响室通常由混响试验间、气源系统、声源系统、声测控系统和消声排气系统等组成。

　　高声强混响室用于模拟扩散场噪声，提供具有给定谱形的不规则入射的宽带随机噪声。适用于受扩散场噪声激励的结构的声疲劳试验。试验件通常通过软连接在混响试验间中心安装。

　　5.7.4 试验加载与控制系统

　　试验承担方应根据试验任务书对声场类型、声疲劳试验载荷谱等要求选配试验加载与控制系统， 使其具有复现输入要求的足够能力。使用高声强混响室进行声疲劳试验时，混响室的容积应大于 10 倍的试验件体积。

　　用于声场测量与控制的高声强传声器，频率范围应能覆盖 20Hz～11200Hz，在此频率范围内的测量精度应不低于±2dB;动态量程和温度应满足试验测量要求。用于研发试验时， 为了便于获得结构薄弱部位，建议传声器最大量程比试验要求总声压级高 6dB 以上。

　　声疲劳试验载荷谱通常使用 1/3 倍频程谱，也可使用窄带或有限带宽的声压功率谱密度。声场控制系统应至少具有 1/3 倍频程谱控制功能，且至少能对三个测量通道进行闭环平均控制。

　　5.7.5 试验数据测量与采集系统

　　试验承担方应配置满足试验对振动响应测试要求的试验数据测量与采集系统，用于对试验件的振动应变、振动加速度(或振动位移、振动速度)等振动响应进行测量与记录。这些要求通常包括： 测量参数、测量范围、采样时间、分析频率范围(或采样率) 和测量精度等。

　　声疲劳试验中，选用的应变计应为 A 级，用于粘贴在试验件表面进行测量的加速度传感器，横向灵敏度应小于 5%。传感器产生的附加质量，一方面会影响试验件的局部模态，另一方面可能会影响带薄蒙皮的蜂窝结构试验件的强度，因此传感器重量应尽可能小(单轴向加速度计重量建议不大于 2g)。

　　试验数据采集系统应带有数据处理功能，并能满足对测量参数时域分析和频域分析的要求。

　　6 详细要求

　　6.1 试验流程

　　声疲劳试验主要包括试验件交接验收、试验大纲编制、试验大纲评审、试验现场准备、试验系统联合调试、试验准备状态评审、正式试验、试验数据处理与分析、试验报告编制和试验结果评审等。图 1为声疲劳试验流程示意图。

　　6.2 试验项目

　　声疲劳试验通常包括以下试验项目：

　　a) 振动特性测试：主要获取试验件共振频率、振型和模态阻尼比等，为试验分析提供依据;

　　b) 振动响应测试：主要获取试验件在噪声载荷激励下的动态响应数据，为寿命预估和结构设计改进提供依据;

　　c) 声疲劳寿命试验：验证试验件声疲劳寿命，研发试验中还用于获得结构危险部位并揭示破坏规律。

　　以上试验项目通常的顺序为振动特性测试、振动响应测试和声疲劳寿命试验。

　　6.3 试验件安装

　　6.3.1 试验件在试验设备上的安装应能模拟试验件受声方式。

　　6.3.2 使用行波管进行声疲劳试验时，通过使用过渡段将试验件安装于行波管的侧壁，使试验件(例如壁板)的受声面作为行波管的一部分暴露于噪声激励中，过渡段与行波管侧壁使用螺接方式时应规定拧紧力矩并使用定力扳手使各螺栓拧紧力一致，安装过程中应避免使试验件产生预应力，试验件及过渡段安装后应尽可能与行波管内壁面齐平。试验件的方向应考虑实际受载情况。

　　6.3.3 使用高声强混响室进行声疲劳试验时，应通过支持系统将带有过渡段的试验件置于混响室中央，使试验件主要表面不与混响室任一壁面平行，并且试验件距混响室任一壁面的距离不小于 0.5m。同时要求支持系统的共振频率应在小于 25Hz 或者小于试验件第一阶共振频率 1/3 两者中取较小者。支持系统中用于保护试验件的装置不应对试验件引入附加振动。

　　图 1 声疲劳试验流程示意图

　　6.4 传声器安装

　　6.4.1 使用行波管进行声疲劳试验时，在试验件前后或与试验壁板相对的管道壁面上安装用于控制和监测的传声器。若传声器放置在管道内选取的其他位置， 应使其仅响应掠入射声波，并对其测得的声压级进行必要的修正。

　　6.4.2 使用混响室进行声疲劳试验时，在靠近试验件的每个不同的主要表面放置传声器，应至少放置三个传声器，传声器的敏感面背向试验件，距离试验件表面 0.5m，或介于试验件表面中心和室壁之间的中间，取两者中较小者。传声器的敏感面不能平行于任何室壁平面。

　　6.5 试验声场控制

　　6.5.1 声场控制类型

　　6.5.1.1 单点噪声控制

　　若在行波管内存在一个最佳的控制位置，则采用单点控制，并将该点作为控制点。

　　6.5.1.2 多点噪声控制

　　可选取多个控制点以确定混响室或行波管内的控制声压级。宜采用传声器声压谱的平均进行控制。平均声压谱可按下列方法计算：

　　a) 若各控制点测量结果的波动范围小于 5dB(OASPL)，可采用分贝数的算术平均;

　　b) 若各控制点测量结果的波动范围大于或等于 5dB(OASPL)，应采用绝对压力值(μPa)的平均，然后转换成分贝数。

　　6.5.2 声场控制方法

　　使用闭环控制方法控制试验声场。使用有多个声源的大混响室进行试验时， 应采用多点噪声控制的方法。

　　试验声场控制时，应使结构主要响应频率所在的 1/3 倍频程声压级的容差控制在±1dB 范围内，其他频段的容差无特殊要求时，按照 GJB 150. 17A-2009 的要求执行。

　　6.6 振动特性测试

　　在试验件安装条件下进行试验件的振动特性测试，通常使用敲击法测试，应至少给出试验件的前6 阶共振频率与模态阻尼比。采用敲击法测量时， 每个导纳数据应进行 3 次以上平均。为避免传感器重量对测量结果的影响，建议尽可能使用非接触式传感器进行拾振。

　　6.7 试验系统联合调试

　　在试验测量链路连接完成后，应进行试验系统联合调试。在扬声器供气但未加声载时， 观察各测量链路是否正常，在加声载过程中，观察试验加载能力、测试能力是否满足试验任务书的要求。

　　6.8 振动响应测试

　　6.8.1 进行振动响应测试时，应按照试验载荷谱及规定的容差进行加载，在 140dB 到试验确定的总声压级范围内，按照总声压级递增方法，依次在每个总声压级加载初期测试试验件的振动响应，每个总声压级的加载时间应不大于 1min，并分析给出各测点振动响应的大小。

　　6.8.2 振动响应的大小与测点位置有关，其中振动应变对测点位置更为敏感，要求应变片和振动传感器的粘贴位置及非接触式测量使用的光标位置与要求的测点之间的偏差不大于±1mm。

　　6.8.3 振动应变测量时应选择合适的测量桥路，尽量避免使用不带温度补偿的 1/4 桥。

　　6.8.4 使用应变花测量某测点的最大均方根主应力时，建议采用局部坐标，定义应变花的最大应变方向为 0 度方向。

　　6.8.5 测量导线受宽带随机噪声激励或试验件振动激励会产生振动，测量导线的振动会引起测量误差，应变片或加速度计的测量导线应在试验件、夹具及试验装置上可靠固定，并从振动较小的位置引出。

　　6.8.6 采用非接触式测量仪器测量试验件振动响应时，行波管周边的高强噪声会导致测量仪器及支座振动而产生测量误差，测试时应采取减振措施，并通过与接触式传感器的测量结果比对来表明测量满足试验要求。

　　6.9 声疲劳寿命试验

　　按试验大纲所规定的声载荷谱和试验加载方案进行声疲劳寿命试验。试验中应对试验过程进行详细记录。

　　对金属结构试验件，必要时，可通过提高声压级依据等损伤原则相应缩短试验时间的方法进行声疲劳加速试验。加速公式如式(1)所示。

　　式中：

　　Nyq ——加速前要求的试验时间，单位为小时(h);

　　Njs ——加速后的试验时间，单位为小时(h);

　　ΔSPL ——加速后的声压级与加速前声载荷谱对应的声压级之差，单位为分贝(dB);

　　b ——试验件薄弱部位典型结构声疲劳 S-N 曲线方程lgσa = A + blgN 的参数，其中 A 为常数。

　　使用加速方法应满足以下两点要求：

　　a) 在要求声压级和加速后的声压级范围内，试验件薄弱部位处的最大均方根主应力与声压呈线性关系;

　　b) 加速前后，试验件主要响应频率应处于同一个 1/3 倍频程带内，且改变不超过±5%。注：声疲劳适航验证试验中使用加速方法应征得适航当局的同意。

　　6.10 声疲劳破坏检测

　　6.10.1 试验承担方应选择有效的无损检测方法进行试验件的声疲劳破坏检测，如断裂丝法、着色法、涡流法和超声 C 扫描法等。

　　6.10.2 声疲劳寿命试验过程中，应对试验件的声疲劳破坏进行无损检测。尽可能对结构的动响应进行连续记录和监控，以便能检测出表明结构疲劳破坏的变化。监测试验件疲劳损伤的方法不应改变结构对声激励的固有响应，否则将影响被试件的疲劳寿命。必要时对试验件进行结构分解检查。若无特殊规定，以不经放大的目视方法发现裂纹作为声疲劳试验件的失效判据。

　　7 试验数据处理与分析

　　声疲劳试验中，应对测量的振动响应等数据进行处理与分析，给出时域与频域分析结果。对于声疲劳寿命试验中测量的振动响应数据，应通过数据处理，给出表征试验件损伤过程、损伤特性的试验件主要响应频率、总均方根响应大小等变化情况。

　　使用应变花测量金属试验件的动态应力时，采用以下方法给出测点的最大均方根主应力，见式(2)。

　　式中：

　　σmax ——最大均方根主应力，单位为帕斯卡(Pa);

　　E ——材料弹性模量，单位为兆帕(MPa);

　　μ ——泊松比，无量纲;

　　注： ε1 + ε2 ：应变片 0˚ 、90 ˚ 方向应变和的均方根值，μm/m;

　　C ：变量，由式(3)确定。

　　式中：

　　ε1、ε2、ε3 ——0˚ 、90 ˚ 、45 ˚ 方向的均方根应变值，μm/m;

　　R1，2、R1，3、R2，3——变量，由式(4)确定。

　　应对所有试验结果进行分析，如数据的一致性和可信度等，对于声疲劳破坏结果，应分析破坏原因并给出结构改进的建议。

　　8 试验报告编制

　　试验结束后，按照试验任务书的要求和试验大纲的规定，在试验数据处理、试验结果分析和整理原始记录基础上，编写试验报告。

　　试验报告应包括(但不限于)以下内容：

　　a) 试验名称、性质、时间和地点;

　　b) 试验目的;

　　c) 试验依据;

　　d) 试验件;

　　e) 试验件安装;

　　f) 试验载荷;

　　g) 试验测量;

　　h) 试验设备;

　　i) 试验过程;

　　j) 试验结果;

　　k) 试验结果分析;

　　l) 试验结论;

　　m) 试验有关记录和声像资料。

　　9 试验结果评审

　　试验结果评审依据合同规定执行。试验结果评审方式分为会签评审和会议评审， 会签评审在试验报告审签过程中进行，会议评审在试验报告审签完成后进行。试验结果评审由试验承担方组织， 试验委托方与试验承担方针对试验报告展开质疑讨论，最终形成评审意见。