复合材料结构的检查间隔确定和修理容限评估方法研究

发布时间：2020-10-09 17:15

　　复合材料由于其优异的性能在新型民用客机的结构设计和制造中被广泛使用,其不仅可以保证飞机的安全性和可靠性水平,而且大大减轻了民航客机的重量,降低了航空公司的运营成本。本文主要针对民机复合材料结构的检查间隔和修理容限问题展开研究。以维修大纲中结构相关的维修任务/间隔优化/更改作为研究的出发点,结合结构的试验数据和航线统计数据,考虑民机运行过程中,机体结构可能遭受的意外低速冲击、冲击损伤的检测以及载荷超限情况等因素,提出了一种确定对应检测条件下结构的检查间隔的概率分析方法,讨论了民机复合材料结构“何时检查”的问题。采用蒙特卡洛方法和计算机仿真技术,考虑民机复合材料结构在服役期间可能受到的损伤、损伤数目、发生损伤的时间、损伤的检测、维修策略、维修成本等变量的概率分布情况,结合损伤结构的剩余强度、修理后剩余强度的恢复以及外载荷情况,进行服役期间复合材料结构的剩余强度模拟和损伤结构失效评估以及维修成本的计算,提出了一种复合材料结构的修理容限评估方法,讨论了复合材料结构“何时修理”的问题。本文基于试验件/结构件低速冲击损伤试验数据和航线收集的民机结构使用维修数据,通过概率分析方法对民机复合材料结构的检查间隔和修理容限问题进行研究,为维修大纲修订过程中结构相关的分析过程提供一种基于概率方法的新模式,给维修任务/间隔的优化/更改提供一定的方法参考;同时,航空公司基于上述分析结果,可以向OEM/TCH申请对维修方案的修订,在保证持续适航阶段结构的安全性和可靠性水平的前提下,降低航空公司的运营成本,使之具有一定的实际工程意义。承接“何时检查”和“何时修理”两个问题,提出了基于损伤评估的修理方案设计思路,为后续的“如何修理”研究工作内容提供初步的框架参考。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V267
【部分图文】：

示意图,超声扫描,示意图,扫描显示

复合材料结构的检查间隔确定和修理容限评估方法研究关于超声扫描的原理，相关研究早已成熟，可以查阅相关资料[24,25]，这里不再赘述场上常用的超声扫描仪根据扫描方式可分为下列三种模式：1）A 型扫描显示：是将接收到的超声信号处理成波形图像，根据波形的形状可以看件内部的异常、缺陷、尺寸等信息。2）B 型扫描显示：是将并排很多条经过灰度处理的探测信息组合成的二维的剖面图反映出被检工件内部断层切面的图像。3）C 型扫描显示：是能够显示被检工件的投影面，给出内部缺陷的水平投影位置，出缺陷的埋藏深度。图 1.1 是三种扫描模式的区别和显示效果示意图。

小样本,拟合检验,优度,显著性水平

图 2.2 优度拟合检验b）小样本的 K-S 检验由于特定冲击能量下，冲击分层损伤面积数据点远小于 50 个，这是一个小样本概率分布检验问题，因此可以选择适用于小样本概率分布检验方法—K-S 检验。有关 K-S 检验的详细说明参见文献[95]。在 MATLAB 程序语言中，h 表示当使用单样本 K-S 检验时，零假设的返回值；如果在 5％显着性水平拒绝零假设，则结果 h 取值为 1，否则取值为 0。h=0，表示样本数据来自指定的分布；相反，它不是来自该分布。在 MATLAB 程序语言中，p 反映某一事件发生的可能性大小，其值用来和显著性水平比较，以此确定是否拒绝原假设。p 的取值区间为[0,1]；如果显著性水平大于 p 值，则表明在相应的显著性水平下拒绝原假设；如果显著性水平小于或等于 p 值，则表明在相应的显著性水平下接受原假设。本部分的原假设为：试验件分层损伤的统计数据来自于正态分布总体；显著性水平为：5%。根据试验数据，对分层损伤面积进行分布拟合，并把拟合结果代入 K-S 检验。检验结果为 5%显著水平下，h=0，p=0.0582（显著性水平小于 p 值）。结果表明，应接受

关系曲线,维修成本,失效概率,容限

tC 是全部维修成本；iC 是定期检查成本；rC 是修理成本；rpC 是更换成本。各类维修成本的取值参照表 3.2。综上，复合材料结构的运营生命周期可以通过上述步骤流程进行仿真。为了避免不确定仿真应通过大量样本的重复来获取失效概率和维修成本的平均值。.3.2.2 结构失效概率和修理容限确定对于本案例中的复合材料翼盒蒙皮面板，采用 3.3.2.1 中蒙特卡洛仿真的方法，通过大20000 次）的随机数抽取，模拟结构在生命期间所遭受的意外冲击损伤，并把结构的修理上限和下限作为修理决策的表征参数，安全性和经济性作为修理决策的约束条件，建立修限上下限与安全性和经济性之间的关系，进而对结构的损伤修理进行决策，即要不要修和能修问题。结构的安全性用失效概率来衡量，经济性用维修成本来衡量，假设对于本案例中翼盒蒙构的失效概率规定不超过 10-6/飞行小时，以维修成本最小化作为优化目标，在检查间隔为周期的 15%的情况下，对仿真结果进行分析说明。图 3.8 表示修理容限与失效概率和维修成本原始仿真数据关系；图 3.9 是修理容限下限与失效概率关系曲线。

【参考文献】