可靠性分析技术在航空领域的应用现状*

郭晓琳，邢鹏飞

(东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

作为重大机械设备的代表，航空飞机的可靠性分析是整个可靠性领域中的重中之重。在现代军用飞机设计中，可靠性已成为与性能同等重要的设计准则，对飞机的可执行任务率、部署机动能力、维修人力和使用保障费用等都有着重要的影响[1]。同样，在民用飞机设计中，据统计，1996年-2005年间，在重大飞行事故中机械故障占25%[2]。因此，在民用飞机的工作过程中，机械故障严重危及到其飞行安全，其机械部分的可靠性分析过程也必须引起足够的重视。国际上，以波音和空客为代表的美国和欧洲的飞机制造商，均有丰富的飞机设计和制造经验，其可靠性研究已具有相当高的水平，对各种飞机型号的使用数据收集、处理都有一套相对完备的程序，从而积累了大量的可靠性数据[3]。针对航空飞机的可靠性分析，国内研究起源于20世纪70年代，但从90年代开始才进入了全面发展阶段[4]，这与国外相差甚远。

本文以航空飞机为例，大体介绍了可靠性分析在重大机械设备方面的应用现状。

1 对整机的可靠性分析

我国的飞机特别是民用飞机的研制现在还处于起步阶段，该阶段存在的根本性问题主要体现在基础数据的缺乏，尤其是一些通过研制和使用经验才能获取的数据信息。基础数据的匮乏直接导致了我国对大型民用飞机的可靠性分析仍不够深入，对飞机整体或一些结构复杂部件的可靠性研究还在进一步探索中。

1.1 样本数据处理及分布模型建立

由于飞机的特殊性决定了其无法实现满足一定量级的可靠性试验，但这些产品又必须在使用前预先知道其可靠度的实际情况。因此，传统统计方法的有效性受到了严重的挑战，在此基础上小子样产品的可靠性评估法应运而生。在飞机可靠性分析中，针对小子样评估过程中分布模型的选取，最常用到的是Weibull分布模型，当下常用的Weibull分布参数可通过极大似然法[5]、双线性回归法[6]、概率权重矩法[7]、Bayes先验分布法[8]以及灰色估计法[9]等方法进行评估。

区别于小子样产品的估计法，另外有人提出，随着现代技术的提高，民用飞机在试验及现场使用过程中表现的可靠性越来越高，故障次数越来越少，甚至有可能在整个过程中都未出现故障，即无故障(zero-failure，也称无失效)情况[10]，这将对未来的飞机可靠性分析亦具有一定的参考价值。

1.2 可靠性分析方法

对飞机整机的可靠性分析大多基于故障树分析或马尔科夫过程，采用Monte-Carlo仿真分析系统可靠性，如Suaova[11]、廖武等[12]都对此分析方法做过研究。以此为基础，又衍生了一些其他的可靠度求解方法。鉴于飞机本身及其工作环境的复杂性，其可靠性求解过程也大多采用模拟法，其中Monte-Carlo法的应用最为广泛。范海涛等[13]基于Monte-Carlo法，将损伤、工作环境、检修周期等作为核心要素，提出了面向工程应用的飞机结构可靠度分析方法。杨春等[14]利用Monte-Carlo抽样、离散事件仿真、计算机仿真等理论建立了基于设备参数和使用规则的仿真模型和算法。虽然Monte-Carlo法在飞机可靠性分析中的应用比较广泛，但其在计算过程中会遇到计算收敛速度缓慢、对小概率事件估计不足等问题。针对此问题，赵亚林[15]提出了Monte-Carlo的EM加速算法。即便如此，Monte-Carlo法仍在一些情况下使用不便，对此有人提出用响应面法来计算飞机可靠度[16]，并取得了一定的成效。

为解决飞机系统的小子样问题，有学者利用多源信息融合技术对相似机械系统的失效信息进行了融合，此方法基于部分系统间的失效特征存在共性这一事实，依据相似特性分析理念，列举出相似系统的信息匹配图，以此来构建相似系统的可靠性分析模型。这一理论是1978年由Gossard教授提出的，并被广泛应用于设计、制造、维修等相关领域。现阶段，国内对相似产品失效数据匹配法的应用仍处于理论研究阶段，还需要大量的现场分析数据进行验证。

2 对飞机结构单元的可靠性分析

大多数飞机可划分为机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分，并配备控制系统、电源系统、液压系统进行辅助。机身、起落装置和动力装置作为故障的多发区，国内外对其可靠性的关注比较集中，这其中的代表就是飞机的心脏——航空发动机。

航空发动机的制造水平在一定程度上代表着一个国家整体的工业水平。另外，航空发动机的可靠性高低也直接影响着飞机的飞行安全。如何尽可能精确地分析航空发动机的可靠性正成为航空公司、发动机制造商和维修厂家共同关注的焦点问题。

2.1 航空发动机的整机可靠性

现阶段对航空发动机整机的可靠性分析主要基于退化失效、竞争失效及其他一些理论方法，下面就从这三个方面进行概述。

2.1.1 基于退化失效的可靠性分析

根据退化机理的不同，目前国内外已经建立了多种退化过程模型，如随机变量模型、边缘分布模型、累积损伤模型、Gamma过程、Wiener过程等，学者们在这些模型的基础上研究了基于退化数据的产品可靠性建模方法。例如朱磊等[17]通过对民用航空发动机性能退化数据的分析，采用Wiener过程与贝叶斯方法的思想，提出了一种有效融合先验退化数据和现场退化数据的性能可靠性评估和剩余寿命预测方法，该方法的优点是可对单机进行分析。

此外，航空发动机作为一个动态系统会随着时间的推移而发生动态变化，因此在分析其可靠性期间也应兼顾时效性。对此，Chinnam[18]利用性能退化信号监测部件的可靠性情况，采用一般多项式回归模型描述性能变化情况。王大伟等[19]针对传统评估方法无法解决航空发动机可靠性评估滞后的问题，引入了故障强度因子，采用模糊积分方法建立航空发动机动态可靠性评估模型。

综上所述，由于工况的特殊性，航空发动机基于退化理论的可靠性分析从一开始就引起了有关学者的重视，并在此基础上做了大量工作。但从研究现状来看，许多学者忽略了发动机系统工作环境对退化过程的影响，这在以后的分析中应引起足够的重视。

2.1.2 基于竞争失效的可靠性分析

作为一个复杂的机械系统，航空发动机在运行过程中往往存在多种失效模式，主要表现为性能退化和突发失效两类失效模式的相互作用，在系统运行的不同阶段其表现形式和作用机制不断变换。这从本质上来看是一个竞争失效问题，在一定程度上增加了航空发动机可靠性分析的复杂性。

为解决竞争失效问题，Bagdonavicius 等[20]利用线性退化模型的半更新过程研究了竞争失效模型的非参数估计方法，模型中采用了分解方法来简化计算。在恒定应力加速寿命试验中，Kundu等[21]提出了一种竞争失效模式下的退化数据分析模型，此模型对数据不完整的情形仍能适用。以上提到的模型虽提出于不同领域，但都可应用于航空发动机的可靠性分析过程。另外，国内学者王华伟等[22]通过详细而深入的研究，提出了一种基于数据融合的航空发动机可靠性分析模型，并结合航空发动机不同失效模式及数据特点，分别针对性能退化失效和突发失效建立了剩余寿命预测模型。

目前，虽然针对退化失效与突发失效的竞争失效研究已经较为丰富，但其研究对象均比较简单，涉及到航空发动机这类复杂系统的可靠性分析还比较少，因此针对航空发动机系统的竞争失效问题还有待于更加深入的研究。

2.1.3 其他可靠性分析理论

近些年来，航空发动机的可靠性分析逐渐趋于多元化。随着航空发动机逐渐向着高推重比、高转速的方向发展，转子、支承、机匣之间的耦合作用增强，形成了复杂的结构动力特性，因此有必要对航空发动机的整机振动特性进行分析[23]。Nelson等[24]提出了固定界面复模态综合法，用以分析航空发动机转子-支承-机匣系统的振动特性。在国内，陈萌等[25]基于NASTRAN中的转子动力特性计算程序，计算了航空发动机整机的动力特性。

2.2 航空发动机局部结构的可靠性

国内外航空发动机的常见故障有：风扇、压气机和涡轮叶片的裂纹和断裂；高压压气机叶片掉角；外来物打伤风扇和高压压气机叶片等。由此可见，针对航空发动机研究的重点应主要集中在涡轮盘和叶片上。

2.2.1 涡轮盘可靠性分析

涡轮盘是航空发动机的主要承力构件之一，随着发动机推重比的增大，涡轮盘的设计应力水平逐渐提高，致使其使用寿命大大降低。因此进行涡轮盘的可靠性分析，对飞机的飞行安全具有重要意义。

对于航空发动机涡轮盘的分析大多采用应力-强度干涉模型[26]、应变-疲劳寿命模型[27]进行分析。在此基础上，蒋向华等[28]为解决传统涡轮盘分析方法对参数分散性考虑不足的缺点，采用应力-强度干涉法和模糊概率积分法(FPI)对某型航空发动机涡轮盘进行可靠性分析，并将两种方法所求结果进行对比。刘辉等[29]对比了应力寿命、应力强度、应变寿命和应变强度4种疲劳可靠性模型，结果表明基于应力的可靠性分析方法对涡轮盘低循环疲劳可靠性分析较为适用。

2.2.2 叶片可靠性分析

压气机叶片是航空发动机的关键零部件之一，其工作环境恶劣，叶片受离心负荷、气动负荷、热负荷以及振动交变负荷等因素影响，主要失效模式有腐蚀、锈蚀、打伤、磨蚀、磨损、划伤、掉块、挠曲和裂纹折断等，鉴于失效模式的多样性，其可靠性分析也多种多样。

Shen[30]对涡轮叶片采用概率Goodman图进行了高周疲劳可靠性评估。Hou等[31]考虑了稳态应力及其振动应力的影响，利用有限元法对某涡轮叶片应力进行了比较全面的研究。王大伟等[32]利用发动机所承受的载荷谱，采用中位秩法计算了叶片在不完全寿命数据条件下的可靠性。

3 结论

机械可靠性大体分为单元级和系统级两大类。本文对航空飞机的可靠性，就其整机、发动机、部分子系统的可靠性分析做了整体概述，在总结前人工作的基础上也就个人立场总结了目前研究中存在的以下几个问题：①系统分析过于依赖局部数据；②系统内部件重要程度与其可靠性分析重视程度不协调；③部分分析方法缺乏普遍性；④分析过程缺乏统一的平台及标准。鉴于大型机械设备间的诸多相似性，针对飞机可靠性的分析与评价方法对于其他大型机械设备同样适用，这表明本文针对飞机可靠性分析的总结对其他大型机械设备同样具有借鉴价值。