【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。以視情維修決策為核心的健康管理理念,依據(jù)設備的健康狀態(tài)趨勢規(guī)劃維修方案,在保障機隊運行安全、減少維修或停機成本、提高單機可用度和機隊保有率等方面,展示出較高的可靠性、經(jīng)濟性和效率性,對指導航空制造部門實施卓有成效的機隊管理,具有重要意義。本文以機隊的健康監(jiān)測和運維保障管理為研究對象,從疲勞結(jié)構(gòu)到單機再到機隊,層層遞進研究面向機隊中多架飛機多個疲勞結(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測精度下降問題,提出了一種將疲勞裂紋擴展模型和非線性卡爾曼濾波相結(jié)合的結(jié)構(gòu)剩余壽命預測方法。該方法將Paris疲勞裂紋擴展模型進行離散化建立了結(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)獲得的實時狀態(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)進行實時處理,消除各種不確定性因素對剩余壽命預測精度的影響。實例研究表明: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測過于保守的問題,提高了結(jié)構(gòu)的剩余壽命預測精度。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)的實時健康狀態(tài)信息納入維修決策過程,造成制定的維修計劃無法進行動態(tài)調(diào)整等問題,本文充分考慮結(jié)構(gòu)停機維修用時以及多個疲勞結(jié)構(gòu)之間維修相關性對飛機使用率和維修費用的影響,以維修費用和使用率為優(yōu)化目標,以可靠度為約束,建立了多疲勞結(jié)構(gòu)動態(tài)成組維修決策優(yōu)化模型�？紤]到飛機工作環(huán)境的嚴酷性和動態(tài)性,基于滾動時間軸模型,提出了多疲勞結(jié)構(gòu)動態(tài)成組維修決策優(yōu)化方法。實例研究表明:該方法能夠充分利用實時狀態(tài)信息降低結(jié)構(gòu)服役過程中損傷不確定性對維修計劃決策的影響,能夠有效地節(jié)省維修成本,減少停機次數(shù)。針對機隊多單機多疲勞結(jié)構(gòu)的維修決策建模問題,分析了機隊各單機及其結(jié)構(gòu)的獨立衰退過程,提出了基于協(xié)同優(yōu)化的兩級機隊動態(tài)維修決策架構(gòu),建立了基于協(xié)同優(yōu)化的機隊動態(tài)維修決策優(yōu)化模型。通過將建立的機隊維修決策優(yōu)化模型分解為一個系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級,有效降低了模型的復雜度和求解難度,避免了多變量(維數(shù)災難)、復雜耦合造成的低效率和計算量大等問題。建立了以機隊維修成本、維修資源利用率和機隊保有率為目標的多目標優(yōu)化模型,以維修機庫為約束,提高了維修資源利用率和機隊保有率,降低了機隊維修成本。針對機隊動態(tài)協(xié)同維修決策問題,提出了基于CO的機隊動態(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)級飛機多疲勞結(jié)構(gòu)動態(tài)成組維修與系統(tǒng)級機隊維修規(guī)劃間的信息循環(huán)交互,實現(xiàn)了機隊維修費用、維修資源利用率和機隊保有率多個目標的最優(yōu)化。實例研究表明,該方法通過使機隊維修計劃動態(tài)更新能夠滿足機隊各飛機結(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,而且提高了機隊保有率和維修資源利用率。在理論研究的基礎上,針對機隊健康管理的信息化問題,開發(fā)了面向飛機結(jié)構(gòu)的健康管理系統(tǒng),完成了結(jié)構(gòu)剩余壽命預測到維修決策優(yōu)化的一體化集成,實現(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)濟效益和綜合維修保障能力。
【圖文】：

圖 2-3 機身壁板Fig.2-3 The fuselage panel飛機制造中廣泛應用的 2024-T35疲勞試驗機。試驗采用試驗機配置。試驗采用正弦波對試件進行加載大載荷為 4.5kN，應力比為 0.2。如緊固孔的一側(cè)預制了一個 3mm 的初裂紋擴展曲線。 120 50R 30R 15.00 63mm預制裂紋

- 123 -圖 6-3 飛機結(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，飛機結(jié)構(gòu) PHM 健康管理系統(tǒng)主要由 3 個系統(tǒng)層面構(gòu)成。的支撐環(huán)境包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和硬件設備等。3 個系統(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，其是整個系統(tǒng)的信息基礎，其中：1） 結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)：主要用來存儲機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)的存儲不僅當次飛行任務執(zhí)行完畢后，停機接收的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)還包括整個飛機服役接收和產(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，對于分析歷史數(shù)據(jù)，飛機結(jié)構(gòu)設計，，提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能以及提供更可靠的維修計劃，具有重
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V267

【參考文獻】

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1 侯波;崔榮洪;何宇廷;高潮;張騰;;同心環(huán)狀薄膜傳感器陣列及其飛機金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測研究[J];機械工程學報;2015年24期

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4 朱斌;陳龍;強_";程鯉;;美軍F-35戰(zhàn)斗機PHM體系結(jié)構(gòu)分析[J];計算機測量與控制;2015年01期

5 李多;徐賀年;王祝堂;;A380飛機用鋁材的研發(fā)[J];輕合金加工技術(shù);2015年01期

6 侯波;何宇廷;高潮;鄧樂樂;;一種金屬結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測的薄膜傳感器設計[J];南京航空航天大學學報;2014年03期

7 陳一梅;李少斌;金彬彬;;基于預防性成組維修的人字門船閘大修周期[J];東南大學學報(自然科學版);2014年02期

8 周東華;魏慕恒;司小勝;;工業(yè)過程異常檢測、壽命預測與維修決策的研究進展[J];自動化學報;2013年06期

9 丁華;何宇廷;焦勝博;杜金強;;基于渦流陣列傳感器的金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋監(jiān)測[J];北京航空航天大學學報;2012年12期

10 邱立軍;;故障預測與健康管理技術(shù)在航空裝備領域的應用[J];四川兵工學報;2012年03期

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5 李常有;維修決策理論研究及其在離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的應用[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

6 程志君;多部件系統(tǒng)視情維修決策技術(shù)研究[D];國防科學技術(shù)大學;2007年

7 蔡景;民用飛機系統(tǒng)維修規(guī)劃方法研究[D];南京航空航天大學;2007年

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3 劉春紅;基于可靠性的民機維修成本分析與優(yōu)化研究[D];南京航空航天大學;2010年

本文編號：2612578