【摘要】：在現(xiàn)代生產(chǎn)制造系統(tǒng)中,裝備健康管理發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,尤其是在部件生產(chǎn)制造成本昂貴,對結(jié)構(gòu)可靠度要求高的航空領(lǐng)域。健康管理水平的優(yōu)劣已經(jīng)成為衡量航空工業(yè)管理水平的重要指標(biāo)。以視情維修決策為核心的健康管理理念,依據(jù)設(shè)備的健康狀態(tài)趨勢規(guī)劃維修方案,在保障機(jī)隊(duì)運(yùn)行安全、減少維修或停機(jī)成本、提高單機(jī)可用度和機(jī)隊(duì)保有率等方面,展示出較高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和效率性,對指導(dǎo)航空制造部門實(shí)施卓有成效的機(jī)隊(duì)管理,具有重要意義。本文以機(jī)隊(duì)的健康監(jiān)測和運(yùn)維保障管理為研究對象,從疲勞結(jié)構(gòu)到單機(jī)再到機(jī)隊(duì),層層遞進(jìn)研究面向機(jī)隊(duì)中多架飛機(jī)多個(gè)疲勞結(jié)構(gòu)的維修決策優(yōu)化問題。本文的主要研究內(nèi)容如下:針對材料、制造、工況環(huán)境等各種不確定性因素引起的剩余壽命預(yù)測精度下降問題,提出了一種將疲勞裂紋擴(kuò)展模型和非線性卡爾曼濾波相結(jié)合的結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測方法。該方法將Paris疲勞裂紋擴(kuò)展模型進(jìn)行離散化建立了結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模型,結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)獲得的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù),利用非線性卡爾曼濾波算法對狀態(tài)評估模型中的不確定性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,消除各種不確定性因素對剩余壽命預(yù)測精度的影響。實(shí)例研究表明:該方法克服了傳統(tǒng)損傷容限法因無法消除各種不確定性因素而使剩余壽命預(yù)測過于保守的問題,提高了結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測精度。針對傳統(tǒng)多部件維修模型采用靜態(tài)維修策略,不能將結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)信息納入維修決策過程,造成制定的維修計(jì)劃無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整等問題,本文充分考慮結(jié)構(gòu)停機(jī)維修用時(shí)以及多個(gè)疲勞結(jié)構(gòu)之間維修相關(guān)性對飛機(jī)使用率和維修費(fèi)用的影響,以維修費(fèi)用和使用率為優(yōu)化目標(biāo),以可靠度為約束,建立了多疲勞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)成組維修決策優(yōu)化模型�？紤]到飛機(jī)工作環(huán)境的嚴(yán)酷性和動(dòng)態(tài)性,基于滾動(dòng)時(shí)間軸模型,提出了多疲勞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)成組維修決策優(yōu)化方法。實(shí)例研究表明:該方法能夠充分利用實(shí)時(shí)狀態(tài)信息降低結(jié)構(gòu)服役過程中損傷不確定性對維修計(jì)劃決策的影響,能夠有效地節(jié)省維修成本,減少停機(jī)次數(shù)。針對機(jī)隊(duì)多單機(jī)多疲勞結(jié)構(gòu)的維修決策建模問題,分析了機(jī)隊(duì)各單機(jī)及其結(jié)構(gòu)的獨(dú)立衰退過程,提出了基于協(xié)同優(yōu)化的兩級機(jī)隊(duì)動(dòng)態(tài)維修決策架構(gòu),建立了基于協(xié)同優(yōu)化的機(jī)隊(duì)動(dòng)態(tài)維修決策優(yōu)化模型。通過將建立的機(jī)隊(duì)維修決策優(yōu)化模型分解為一個(gè)系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級,有效降低了模型的復(fù)雜度和求解難度,避免了多變量(維數(shù)災(zāi)難)、復(fù)雜耦合造成的低效率和計(jì)算量大等問題。建立了以機(jī)隊(duì)維修成本、維修資源利用率和機(jī)隊(duì)保有率為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型,以維修機(jī)庫為約束,提高了維修資源利用率和機(jī)隊(duì)保有率,降低了機(jī)隊(duì)維修成本。針對機(jī)隊(duì)動(dòng)態(tài)協(xié)同維修決策問題,提出了基于CO的機(jī)隊(duì)動(dòng)態(tài)協(xié)同維修決策優(yōu)化方法。該方法通過在優(yōu)化過程中引入優(yōu)化變量選擇策略,避免了優(yōu)化變量過多造成的優(yōu)化過程不收斂和計(jì)算量大等問題;通過采用系統(tǒng)級-子系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化策略,利用子系統(tǒng)級飛機(jī)多疲勞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)成組維修與系統(tǒng)級機(jī)隊(duì)維修規(guī)劃間的信息循環(huán)交互,實(shí)現(xiàn)了機(jī)隊(duì)維修費(fèi)用、維修資源利用率和機(jī)隊(duì)保有率多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化。實(shí)例研究表明,該方法通過使機(jī)隊(duì)維修計(jì)劃動(dòng)態(tài)更新能夠滿足機(jī)隊(duì)各飛機(jī)結(jié)構(gòu)由于疲勞失效所帶來的維修需求,不僅降低了維修成本,而且提高了機(jī)隊(duì)保有率和維修資源利用率。在理論研究的基礎(chǔ)上,針對機(jī)隊(duì)健康管理的信息化問題,開發(fā)了面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康管理系統(tǒng),完成了結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測到維修決策優(yōu)化的一體化集成,實(shí)現(xiàn)了航空裝備維修保障的集成化、數(shù)字化和信息化,提高了航空裝備維修的經(jīng)濟(jì)效益和綜合維修保障能力。
【圖文】：

圖 2-3 機(jī)身壁板Fig.2-3 The fuselage panel飛機(jī)制造中廣泛應(yīng)用的 2024-T35疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用試驗(yàn)機(jī)配置。試驗(yàn)采用正弦波對試件進(jìn)行加載大載荷為 4.5kN，應(yīng)力比為 0.2。如緊固孔的一側(cè)預(yù)制了一個(gè) 3mm 的初裂紋擴(kuò)展曲線。 120 50R 30R 15.00 63mm預(yù)制裂紋

- 123 -圖 6-3 飛機(jī)結(jié)構(gòu) PHM 健康管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6-3 The architecture of PHM-based aircraft structure health management system由圖 6-3 可知，飛機(jī)結(jié)構(gòu) PHM 健康管理系統(tǒng)主要由 3 個(gè)系統(tǒng)層面構(gòu)成。的支撐環(huán)境包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和硬件設(shè)備等。3 個(gè)系統(tǒng)層主要內(nèi)容如下：（1） 數(shù)據(jù)管理層：數(shù)據(jù)管理層用于管理飛機(jī)結(jié)構(gòu) PHM 健康管理系統(tǒng)過程中使用和產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)信息，其是整個(gè)系統(tǒng)的信息基礎(chǔ)，其中：1） 結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)：主要用來存儲(chǔ)機(jī)載傳感器采集到的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)原號數(shù)據(jù)、去噪后的傳感器數(shù)據(jù)。值得注意的是，結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)不僅當(dāng)次飛行任務(wù)執(zhí)行完畢后，停機(jī)接收的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)還包括整個(gè)飛機(jī)服役接收和產(chǎn)生的歷史結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)。完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對于分析歷史數(shù)據(jù)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，，提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能以及提供更可靠的維修計(jì)劃，具有重
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V267

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2612578