基于正交试验的民用飞机抗爆结构参数敏感性分析

最小风险炸弹位置(LRBL)结构是放置飞机上可疑爆炸物的装置,探究结构尺寸和炸药位置对其抗爆性能的影响程度可为其改进设计提供参考。基于正交试验设计与数值模拟相结合的方法,以LRBL结构各危险部位的最大应变和变形为评价指标,分别运用极差分析法和方差分析法对LRBL结构的罐体壁厚、底盖厚度、连接凸台厚度、剪切销直径和炸药位置5个影响因素开展参数敏感性分析。结果表明:在200 g炸药当量的工况下,各因素对LRBL结构的抗爆性能的影响显著程度从大到小为炸药位置、罐体壁厚、底盖厚度、凸台厚度和剪切销直径;结合评价指标综合分析得到各个因素最优水平下的LRBL结构设计方案。

考虑磨损演化的铰链式襟翼机构动力学仿真研究

不同卡位的襟翼气动载荷差别很大,使得轴承在不同襟翼偏角下所承受载荷也存在明显差异,这导致在不同角度位置的轴承磨损深度不一致。因此,引入均匀磨损深度的方法难以适用于襟翼的动力学特性分析。为解决这一问题,提出了一种基于最小二乘法的动力学建模方法。根据襟翼翼面的连接特点利用C-B法对其进行柔性化,并采用RBE2单元建立刚柔耦合动力学模型。联合UAMP、DISP、UMESHMOTION子程序进行磨损演化仿真,获取铰链轴承的非均匀磨损数据,同时通过最小二乘拟合建立磨损深度和襟翼偏角角度以及摩擦因数的映射关系。将该映射关系以铰链轴承中心点的偏移量和轴承摩擦因数的方式更新刚柔耦合动力学模型,以获取在磨损影响下的襟翼机构动力学响应,验证了方法的适用性和有效性。结果表明,随着磨损的进行,襟翼内外侧轴承转轴同轴度逐渐降低,内外侧驱动力矩随之增加,增加幅度最大为15.08%。该方法可为襟翼机构的设计及轴承选型提供一定支持。

基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理

弹箭产品的多视图物料清单XBOM(X bill of material)是多利益攸关方从不同寿命阶段的结构组成、数据信息以及交互流程等角度对弹箭产品的全方位基础支持文件。对弹箭产品XBOM数据进行管理,统筹管控全寿命周期内的数据,可消除不同寿命阶段相关方、业务及数据间的交互脱节及单向传递,为弹箭产品实现全数字模型供应提供有效数据源支持。为满足面向弹箭产品XBOM数据的有机集成及多方协同需求,提出了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系和方法。通过剖析数字主线框架,提出并建立了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系。以“数据-交互-建模-应用”的体系层次为指导,提出了基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理方法,包含数据组织、数据关联关系分析、数据建模及数据应用。以某型运载火箭结构系统为对象,开发基于数字主线的弹箭产品XBOM数据管理体系并进行了应用验证。文中所提出体系和方法为实现弹箭产品XBOM数据管控、集成及共享提供具体指导,有利于促进我国弹箭产品全寿命周期数据管理系统的发展。

Harmony SE在民用飞机设计中的应用

随着民用飞机技术精细化和产品复杂性的提高,民用飞机设计已从传统的基于文档的系统工程转变为基于模型的系统工程,系统表达也从以文档为中心转变为以模型为中心。为进一步提高民用飞机设计中系统建模的模型质量与正确性,进而缩短设计的开发周期与成本,探究以模型驱动及验证为主导的系统工程方法在民用飞机设计领域的适用性,建立民用飞机设计的系统工程框架,用以支持民用飞机的可靠设计与高效交付。以Harmony SE建模方法为切入点,介绍其工作流程和建模思想;分析民用飞机在系统工程实践中出现的突出问题,说明Harmony SE方法在民用飞机系统工程领域的适用性,建立民用飞机设计的系统工程实践体系;以油箱增压组件为研究对象,应用实践体系开展组件级系统工程实践。结果表明,文中所提出的民用飞机设计系统工程体系和方法能够正确合理地分配设计需求并建立完整的系统模型,有助于提升现阶段民用飞机设计的效率与准确性。

民用飞机顺气流襟翼机构故障工况动力学仿真研究

民用飞机顺气流襟翼一般由空间复杂多铰机构驱动,按照适航条款CCAR25.671的要求需开展典型故障下的机构特性研究。构建机构运动数字样机,采用RBE2单元将刚性多铰机构铰链点关联至柔性襟翼本体,建立襟翼机构刚柔耦合动力学模型;在巡航、起飞、着陆三种气动载荷工况下,采用调节铰链摩擦系数和设置单侧驱动失效的方法分别模拟铰链卡滞和操纵系统单侧失效两种典型故障,并分析驱动力矩和铰链点载荷的变化规律。结果表明:铰链卡死时,内侧驱动连杆耳片发生拉伸破坏;内侧驱动失效时,外侧摇臂铰链点径向载荷提升明显,在实际中应重点关注该类襟翼外侧摇臂中关节轴承的径向和轴向承载能力,避免外侧机构出现单独操纵的情况,同时需要对整个驱动系统增加扭矩保护。

基于运行数据的国产民机动态维修任务间隔优化

为了提升国产民机的基于运行数据的计划维修任务间隔优化技术,丰富国产民机维修大纲维修间隔优化理论,针对不同维修任务的部件寿命特点,提出了基于运行数据的最佳失效分布动态维修间隔优化方法。收集相应维修任务的例行检查与非计划检查维修记录;然后结合任务部件的完整失效数据与右删失数据,采用极大似然估计进行置信区间内的失效分布参数拟合,得到维修任务的部件寿命分布函数;结合民航局咨询通告对不同维修任务的可靠度要求,考虑部件的累计飞行小时分析维修任务的动态维修间隔。研究表明在给定维修任务可靠度条件下,动态维修任务的维修间隔可随部件可靠性寿命规律而变化,反映相应部件的寿命特点,有助于在保障任务可靠度的基础上为缩短或延长维修任务间隔提供建议,为维修任务的维修间隔优化提供理论参考。

基于干涉接触的前缘缝翼尾缘结构设计与分析

前缘缝翼是大型飞机起飞与降落阶段重要的增升装置,但受自身结构刚度及其支持刚度影响,承受气动载荷时缝翼易发生翘曲变形,与翼盒产生缝隙,影响到机翼的气动效率。为消除巡航状态缝翼的变形,提高机翼气动效率,提出前缘缝翼干涉尾缘结构设计技术。对影响前缘缝翼结构法向和弦向变形的主要因素进行理论分析。以国内某大型飞机前缘缝翼为研究对象,针对蒙皮等各结构尺寸对前缘缝翼本体刚度的影响,从质量和变形两方面进行详细论述。在保持原有前缘缝翼结构尺寸、质量的前提下,进行前缘缝翼干涉尾缘结构的设计。结果表明:所提的前缘缝翼干涉尾缘结构在巡航工况气动载荷下,可以保持与机翼不分离的状态,提高气动性能,且有效避免了质量的增加。

基于元件降额设计的温度步进强化试验剖面设计

针对目前强化试验剖面效率低、成本高的问题,提出了某型弹类电子产品温度强化试验剖面设计框架。结合产品可靠性框图对试验对象进行失效逻辑分析,基于元器件降额的步长设计方法(step design method based on component derating,CD-SDM)优化步长、缩短试验时间,采用基于有限元仿真的确定性分析方法获得工作极限和破坏极限估值,降低步长划分时极限间工作裕度的影响,实现步长、试验时间和其他要素的优化。以某型弹类电子产品高温步进为例验证所提方法,结果表明获得的温度强化试验剖面较传统方法在试验时间上最少可缩短13.33%左右,与传统方法相比减少了1/4的检测次数,优化了目前可靠性强化试验剖面设计对弹类电子产品试验效率低、成本高的问题。

基于多策略协同优化神经网络的起落架状态监测

为了有效监测飞机着陆阶段起落架运行状态,提出一种基于多策略协同优化的反向传播神经网络算法(back propagation neural network-based on multi-strategy cooperative optimization, MSCO-BPNN)。多策略优化算法由混沌映射策略、自适应螺旋捕获策略、交叉变异策略及鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm, WOA)组成,其中WOA旨在捕获神经网络的最优超参数值,混沌映射策略、自适应螺旋捕获策略及交叉变异策略分别用于提升鲸鱼优化算法在寻优过程中的搜索效率、多局部搜索能力及全局最优搜索性能。具备最优超参数的BP神经网络用于建立输入参数与输出响应间的隐式模型。以机载快速存储记录(quick access recorder, QAR)数据中起落架左侧刹车温度运行状态为对象进行健康监测,通过对比WOA-BPNN、粒子群优化BPNN、传统BPNN与所提MSCO-BPNN算法,分别验证所提算法在起落架运行状态监测建模方面的有效性和适用性。结果表明MSCO-BPNN能够以高效率和高精度进行起落架运行状态监测,可推广至复杂系统的运行健康监控领域。

民用飞机运行可靠性研究进展

结合民用飞机运行可靠性研究的技术现状与发展趋势,根据现有的型号设计、研制和在役飞机的具体情况,阐述了民用飞机运行可靠性研究需求。通过梳理民用飞机运行可靠性理论研究进展及工程应用现状,从运行数据采集与处理、运行可靠性分析方法、运行可靠性预测反馈技术、运行可靠性的优化设计、优化维修任务、运行可靠性综合管理平台六个方面,详细阐述民用飞机运行可靠性研究现状及面临问题,展望了民用飞机运行可靠性研究未来发展方向。

基于原子搜索Kriging模型方法的民用飞机液压系统温度监测

温度是民用飞机液压系统性能的重要表征参数之一,为有效实现液压系统温度监测,基于Kriging模型和原子搜索优化算法(ASO),提出一种基于原子搜索优化Kriging模型(ASOKM)方法。首先,针对液压系统温度故障发生原因进行分析,建立其故障逻辑图,明确影响液压系统温度的特征参数;然后,结合快速存取记录器(QAR)数据,介绍ASOKM方法建模原理;最后,通过某型国产民用飞机液压系统温度监测分析,对所提出的ASOKM方法进行有效性验证。结果表明:相比响应面法(RSM)、Kriging、BP神经网络(BP-ANN)模型,ASOKM方法的训练平均绝对误差、监测平均绝对误差较低,具有较高的精度、效率和鲁棒性,能够为液压系统可靠性分析、故障诊断、预测维修提供借鉴。

基于改进生成对抗网络的国产民机航材消耗预测方法

为解决航材消耗预测影响因素较多、时间相关性复杂、实际消耗样本少等问题,鉴于现有方法难以捕捉小样本航材消耗数据在时间顺序上的逐步依赖关系,提出了基于改进生成对抗网络生成模型和循环神经网络预测模型的航材消耗预测方法。该方法将自回归学习有监督训练与对抗学习无监督训练相结合,进一步挖掘航材消耗数据的潜在静态分布和时态逐步依赖分布,从而生成更加接近真实数据的样本,达到扩充样本量、提高航材消耗预测精度的目的。以某型国产民机部件消耗数据为案例,利用降维可视化方法和预测分数评价模型的生成性能和预测精度。通过与其他方法对比,所提方法预测值的平均绝对误差减少了3%,验证了所提方法解决航材预测问题的有效性。

基于可靠性的民机防爆结构优化设计研究

最小风险炸弹位置(least risk bomb location,简称LRBL)结构作为应用于民航客机的防爆结构,在保证可靠性的同时,还应尽可能地减小结构质量。开展了基于可靠性的LRBL结构优化设计研究,首先以LRBL结构轻量化作为优化设计目标,选择LRBL结构的结构尺寸作为设计变量,然后确定约束为结构可靠性指标,采用响应面法结合可靠性指标转化得到优化模型约束函数,搭建LRBL结构的可靠性优化模型,最后采用内点法进行LRBL结构的可靠性优化求解。以某个LRBL结构设计方案开展了优化设计案例分析,结果表明在满足可靠性指标的基础上,优化后的LRBL结构质量减轻了45.08%,减重效果明显,对LRBL结构应用于工程实际具有指导意义和参考价值。

基于多体动力学的尾撬缓冲器动态性能研究

为了获得民机尾撬缓冲器吸能功量特性,提出了一套结合理论分析、协同仿真及试验验证的系统分析方法。以缓冲器理论分析模型为基础,建立了包含缓冲器动力学和液压系统的协同仿真模型;规划并实施了相应的落震仿真试验,将仿真结果与试验结果进行对比分析,验证了仿真模型的有效性和分析方法的可行性;详细讨论了不同充气压力和投放高度等关键参数对缓冲器动态性能的影响,总结了缓冲器功量、最大行程及最大轴向力随相关参数的变化规律。分析方法和结论可用于指导尾撬缓冲器的设计和选型,对民机的试飞工作具有一定的参考价值。

铝钛复合耳片结构设计及可靠性分析

飞机耳片接头是传递载荷的关键部位,为了提高耳片接头的安全性,在保证满足静强度、疲劳等设计要求的前提下,提出了不同金属材料复合连接耳片结构设计技术。对耳片结构从破损安全设计和寿命可靠性分析方面进行了研究;针对某飞机接头耳片,基于破损安全设计理念及变形协调设计原则,提出了复合连接耳片的设计方法,并依据所提方法确定了"铝-钛-铝"厚度比例为0.8∶1∶0.8单耳设计方案,进而开展了静力学、损伤容限设计及寿命可靠性分析。结果表明:所提出的铝钛复合耳片结构设计方案可满足静强度和损伤容限要求,且与常规耳片结构对比,复合耳片在质量仅增加4.9%的情况下结构任务寿命失效概率大幅降低。论文所提方法可用于指导复合耳片的结构设计。

考虑维修比例的民机备件多级库存配置研究

提出了一种考虑维修比例的民机备件多级库存配置方法,将维修比例引入METRIC(multiechelon technique for recoverable item control)模型建立多级库存配置模型,运用边际分析法对模型进行求解进而实现备件多级库存配置。首先,阐述了考虑维修比例的多级库存配置模型的原理,建立了以机队可用度为优化目标、费用和保障率为约束数学模型;然后,论述了基于边际分析法的考虑维修比例影响的情况下多级库存配置模型求解流程;最后,以典型民机起落架航线可更换单元(line repairable units,LRU)为研究对象,在考虑维修比例影响的情况下对其多级库存配置进行研究。算例分析结果表明:在满足优化约束条件的情况下,最小的保障费用为2 759 833美元,机队可用度为0.980 6,并得到此时LRU多级库存配置数量;通过方法比较验证了考虑维修比例的维修资源多级库存配置模型的可行性和有效性。在合理降低成本的前提下,为精确地配置维修资源多级库存优化提供指导。

基于横向供应与维修比例的民机备件配置优化技术研究

针对考虑横向供应的多级库存配置问题,将维修比例这一实际因素引入库存配置模型中,提出了一种考虑横向供应及维修比例的民机备件多级库存配置方法。首先,阐述了考虑横向供应及维修比例下的多级库存配置模型的原理,并以机队可用度和备件满足率为约束条件,建立了相应的以库存系统总成本为优化目标的数学模型;其次,运用边际分析法求解考虑横向供应及维修比例条件下的备件多级库存配置;最后,以某航空公司波音737客机的部附件作为研究对象,在考虑横向供应及维修比例的条件下对其进行多级库存配置研究。算例结果得到了最优的备件库存配置数量,并且得到最低的库存系统成本为120.5万美元,机队可用度为0.990 9。相比不考虑横向供应及维修比例的传统配置模型以及只考虑维修比例的库存配置模型,所提出的模型使库存成本显著减少,可为民机备件的多级库存优化配置提供理论支撑和方法指导。

水平冲击条件下不同撞击速度对乘员头部伤害影响分析

适坠性的本质是研究对人(机组人员和乘客)的保护,而乘员头部伤害在坠撞事故中占有较大的比重。为了研究水平冲击条件下不同撞击速度对乘员头部伤害的影响,提出以乘员损伤等级(Abbreviated Injury Scale,AIS)和乘员伤害风险概率来评价乘员伤害的综合评估方法,并以典型民机双椅管三联座椅为研究对象,利用LS-Dyna软件构建了假人-座椅-约束系统动力学仿真模型,分析了不同撞击速度(8.0 m/s、10.0 m/s、12.0 m/s、14.0 m/s、16.0 m/s)对乘员头部伤害的影响及伤害发生的阶段、特点等。假人动态响应分析结果表明:在飞机纵向坠撞过程中,乘员有可能受到严重的头部和腿部伤害,乘员头部伤害随着撞击速度的增大而快速增大,乘员伤亡率随着撞击速度的增大而呈指数式增长,乘员腿部运动剧烈,增大了与舱内其他设施碰撞的风险,此外,乘员低头运动幅度、安全带载荷峰值与撞击速度亦成正比关系。因此,当坠撞事故发生时应设法控制水平撞击速度(13.0 m/s时,乘员伤亡率<10%;16.0 m/s时,乘员伤亡率>80%)。

基于Markov过程的冗余系统备件与冗余度联合优化

为了合理有效地降低冗余系统全寿命周期费用,同时考虑部件的故障过程、维修周转以及备件的订购补给过程,结合混合准则提出了基于Markov过程的k/n冗余系统可用度模型,实现备件库存配置与冗余度联合优化。首先,通过热备份和冷备份模式下的系统故障率和修复率计算公式,建立了使用可用度模型。然后,基于稳态概率计算全寿命周期费用,并运用备件库存配置与冗余度联合优化算法实现模型的求解。最后,通过数值计算验证可用度模型的正确性以及联合优化的有效性。通过数值计算结果表明,所提出的可用度模型是传统模型的有益改进并且具有普适性。联合优化算例结果显示,冗余系统可用度随冗余度或备件库存的增加而得到提升,而当可用度接近1时若要进一步提高可用度将导致费用急剧增长;全寿命周期费用中备件存储费用的所占比例最高,而备件订购费用最低;算例表明,与仅考虑备件库存优化的方法相比,联合优化使全寿命周期费用降低了8.01%。

基于乘员响应的民机典型机身段结构适坠性分析与评估

保护乘员的生命安全是飞机适坠性设计的最终目标。为了更为准确的模拟乘员在坠撞过程中的动响应及伤害情况,利用LS-Dyna构建了包含假人及座椅约束系统的机身段坠撞仿真模型,对机身段在垂向撞击速度为9.14 m/s时结构及乘员的动响应进行了详细分析,包括机身结构的吸能特性及破坏模式、舱内设施的系留状况、乘员的运动及伤害情况等,并通过与试验数据的对比验证了坠撞仿真模型的可信性;最后,开展了民机适坠性评估方法研究,通过对相关适航条款、咨询通告及标准的解读和梳理,提出了以生存空间、系留强度、乘员伤害、撤离通道和坠撞后环境为考核指标的民机适坠性综合评估方法。机身段适坠性分析表明,垂直坠撞环境下乘员的伤害模式主要为腰椎和小腿伤害,坠撞过程中乘员腰椎最大压缩载荷为6.78 kN,小腿胫骨最大轴向压缩载荷为7.46 kN;利用提出的适坠性综合评估方法对所构建民机的适坠性进行了系统评估,可知其适坠性较好,除乘员腰椎载荷稍微超出适航规定值而需要进行相应的设计改进之外,其余评估指标皆符合要求。