某型飞机燃油系统对APU供油的可靠性仿真计算模型

摘 要：飞机燃油系统是飞机获得动力的来源，燃油系统的可靠性对保障飞机安全至关重要。传统故障树分析法（FTA）对多状态下的飞机燃油系统可靠性分析过程较为复杂，工作量较大。GO法适用于多状态下的系统可靠性分析，利用GO法结合SIMULINK仿真平台，计算飞机燃油系统对APU供油的可靠性。针对GO法中第12类操作符路径分离器给出了对应SIMULINK的表达模块。结果表明，使用GO法对飞机燃油系统对APU供油的可靠性分析精确，为多状态下的系统可靠性分析提供了新的思路。

关键词：燃油系统；FTA；GO法；可靠性

中图分类号：V37；TB114.3" 文献标识码：A" 文章编号：1007 - 9734 （2024） 02 - 0020 - 05

0 引 言

飞机燃油系统[1-3]的主要功能是储存燃油、为发动机及辅助动力装置APU（Auxiliary Power Unit）供油、调节飞机重心、保持飞机平衡和冷却飞机内部高温部件。因此，飞机燃油系统可靠性研究对于飞机的安全性至关重要。

GO法（Goal-Oriented）[4]是一种系统可靠性的分析方法，尤其适合于有序列、多信号、多状态的系统可靠性分析。GO法于20世纪60年代提出[5]，因其能够有效解决多状态系统可靠性分析问题而被广泛应用于各个行业。刘启新[6]利用GO法和贝耶斯方法建立可靠性分析模型，应用于冗余系统可靠性分析。曾梓航[7]建立Nd：YAG侧面泵浦激光器GO图模型，为其提供了优化的理论依据。袁晓霞[8]将GO法应用于火工系统建模，开发了相应的软件以提高可靠性计算效率。温轶群[9]采用GO法对某预警机飞控系统可靠性进行分析，得到更加全面精确的分析结果。束洪春[10]以GO法为基础求解柔直流换站可用度。陈资[11]提出Bayes GO可靠性评估模型，对某齿机砂轮架进行可靠性评估。黄涛[12]给出了SIMULINK仿真模块中常用的6种操作符，并应用于压水堆净化系统可靠性研究中。李景奎[13]利用GO-Markov模型计算飞机燃油闭环控制系统可靠性。曹慧[14]提出UGF-GO算法应用于某型飞机供电系统，其能够完整分析该系统性能退化行为。

本文对飞机燃油系统进行可靠性建模，通过GO法对飞机燃油系统对APU供油进行可靠性分析，给出飞机燃油系统GO图，利用SIMULINK搭建系统可靠性仿真平台进行可靠性计算，使传统FTA方法在多态系统可靠性计算复杂的问题得到解决。

1 飞机燃油系统对APU供油建模

1.1 模型建立

飞机燃油系统中主要有如下部分：燃油储存、油箱通气、加油/抽油、供油和指示。本文主要对飞机燃油系统对APU供油过程的可靠性做出分析，因此对燃油系统对APU供油这一工作进行系统导向建模，供油工作原理为：APU燃油关断阀控制供油总管的燃油供往APU。机翼两侧油箱都可供给燃油。当交输阀关闭时，左侧供油系统给APU提供燃油，当交输阀打开时，左、右侧供油系统均可为APU提供燃油。若增压泵都关闭，APU可以通过旁通阀从主油箱1吸油。具体功能原理如图1所示，根据系统功能原理，建立系统GO图，如图2所示。

1.2 定性GO分析

根据飞机燃油系统对APU供油工作原理，整个供油系统的信号来源于主油箱1和主油箱2，以操作符5模拟。增压泵用操作符3模拟，包含失压（提前）、漏油（故障）和正常工作状态。关断阀是控制信号传递的控制类元件，当信号流3被关断时，将导通信号流4，以主油箱2提供燃油。故关断阀以操作符12路径分离器模拟。当所有增压阀关闭时，信号流3、信号流7断开，信号8输出为0，操作符12路径分离器再次选择以信号9为输出，即APU从1号主油箱经旁通阀吸油。若信号8输出不为0，则按信号流10正常工作。由系统GO图可知，共有三路油路可供选择，为主油箱1路、主油箱2路并联后与旁通阀路并联，最终到达APU。故在APU前放置操作符2，最终供油至APU。表1列举了具体功能操作符相关的信息。

2 基于GO法的飞机燃油系统对APU供油可靠性分析

2.1 路径分离器的模块结构

使用SIMULINK搭建GO运算平台，黄涛[12]等人提出常用6种操作符SIMULINK计算模块，本文给出操作符12（路径分离器）的SIMULINK计算模块。

路径分离器是指只包含了一个输入信号，输出端有M个信号。输入信号可以选择M中任意一条路输出。当选定一路输出时，其他路则不再有输出信号。亦可关闭全部通路，M路均无输出。沈祖培[15]给出了第12类操作符路径分离器的运算规则，路径分离器符号如图3所示。

第12号操作符路径分离器的具体运算规则如表2所示。

表2中，1代表有信号流通过，0代表无信号流通过。

结合运算规则，[P1，P2，…，PM，j=1M≤1]，VC=j表示该操作符的状态值，j=1，…，M+1；PC（j）就表示该操作符选择第j路的输出概率，PC（j）=Pj；j=M+1表示都没有输出，PC（M+1）=[1-j=1MPj]。路径分离器的M个输出信号不能独立使用，按照以上运算规则得到M个输出信号的状态组合概率是联合分布概率，应该联合使用。

在飞机燃油系统中共有两个路径分离器，它们代表的均为路径选择，即没有输入时，选择旁路输出；有输入时，选择主路输出。路径分离器的真值表如表3所示。

对于表2中的信号，根据路径分离器特性可用SIMULINK中的if模块表达，如图4所示。同理可表达出信号流8～10的路径分离器操作符。

以上表达中，if（u1～=0）表示当输入端不为0时，选择信号流3进行输出。否则（else）选择信号流4输出，很好地表达了操作符12路径分离器的功能。

2.2 飞机燃油系统对APU供油的可靠性计算

根据系统原理图建立了系统GO图（图2）。采用SIMULINK仿真软件对系统建立模型。各操作符按照不同模块表示，设计飞机燃油系统对APU供油的可靠性分析仿真界面，如图5所示。

各操作符的赋值由表1给出，给定仿真时间为10s。结果显示，以GO法得出飞机燃油系统对APU供油的总成功概率为0.999999998。

3 飞机燃油系统对APU供油可靠性验证

研究人员应用故障树分析方法对飞机燃油系统APU供油可靠性进行验证。故障树分析法作为一种可靠评估手段被广泛应用于各行领域[16-19]。

对飞机燃油系统对APU供油的各项失效问题逐个分析。根据燃油系统子组件的不同使用环境、特点以及各组件自身性能，分别建立5个底事件，2个中间事件。建立飞机燃油系统故障树如图6所示。

通过故障树可靠性分析，对扰流板系统进行建树，并对各事件赋值，确定故障树的最小割集分（X1*X2*X3），（X4*X5）。其中：X1：旁通阀故障；X2：主油箱1漏油；X3：油路1增压泵失效；X4：主油箱2漏油；X5：油路2增压泵失效。经故障树计算方法得到扰流板系统可靠度为0.999999996。故障树分析方法的计算结果与GO法计算结果对比如表4所示。通过两种可靠性计算方法结果对比可以看出，通过GO法得到的飞机燃油系统对APU供油可靠度计算结果与故障树分析法计算结果十分接近。GO法相比于故障树分析方法更加适合飞机燃油系统对APU供油的多态系统可靠性分析。

对于飞机燃油系统的可靠性分析而言更为简便，结果证明GO法对飞机燃油系统对APU供油进行可靠性分析是有效可行的。

4 结 论

1） 本研究提出了GO法第12号操作符路径分离器的SIMULINK模块化表达方案，能够完成实际工程中部件按要求选择某一条路径作为输出的特殊系统的GO运算。

2） 使用SIMULINK对于操作符进行模块化表达中有很多操作符因其表示的部件功能较为复杂，还不能被精准表达，本研究未来将会继续探索如何更好地将17种操作符表达完整，给GO法可靠性平台的搭建提供借鉴。

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责任编校：田" " 旭，刘" " 燕

A Reliability Simulation Calculation Model for APU Fuel Supply in a Certain

Type of Aircraft Fuel System

WANG Ying

（College of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University （SAU）， Shenyang 110136，China）

Abstract：Aircraft fuel system is the source of power for aircraft， and the reliability of fuel system is very important to ensure the safety of aircraft. The reliability analysis process of aircraft fuel system under multi-state by traditional fault tree analysis （ FTA ） is complicated and the workload is large. The GO method is suitable for multi-state system reliability analysis. The reliability of aircraft fuel system for APU fuel supply is calculated by using GO method combined with SIMULINK simulation platform. The corresponding SIMULINK expression module is given for the 12 th operator path separator in the GO method. The results show that the GO method is used to analyze the reliability of APU fuel supply for aircraft fuel system accurately， which provides a new idea for system reliability analysis under multiple states.

Key words：fuel system; FTA; GO methodology; reliability

基金项目：航空科学基金资助项目 （20220003054001）

作者简介：汪 英，男，辽宁沈阳人，博士研究生，研究方向为结构健康监测、系统可靠性。