基于模糊理論老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷評(píng)判

石向陽(yáng)，龍 江，王 波

（中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢618307）

目前，中國(guó)民航老齡飛機(jī)數(shù)量日益增多。隨著營(yíng)運(yùn)時(shí)間增長(zhǎng)，飛機(jī)的老齡化、結(jié)構(gòu)腐蝕損傷和疲勞損傷都呈現(xiàn)出加重的趨勢(shì)。

以中國(guó)民航飛行學(xué)院初級(jí)教練機(jī)TB200為例，針對(duì)老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)在腐蝕損傷分析過(guò)程和評(píng)價(jià)過(guò)程中影響因素眾多復(fù)雜，而且具有模糊性的情況，本文提出了基于故障樹(shù)分析和模糊理論的方法，以此來(lái)對(duì)老齡飛機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕損傷情況進(jìn)行綜合評(píng)判，同時(shí)也為老齡化的飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修提供了指導(dǎo)與依據(jù)。

1 故障樹(shù)分析

1.1 建立腐蝕損傷故障樹(shù)

建立腐蝕損傷故障樹(shù)，首先要將老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷作為故障事件樹(shù)頂，查找出所有可能會(huì)導(dǎo)致樹(shù)頂故障事件發(fā)生的直接原因，再跟蹤追跡，找出所有導(dǎo)致其上層事件發(fā)生的可能原因，最后追蹤到影響樹(shù)頂故障事件發(fā)生的底事件。通過(guò)對(duì)老齡飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕失效分析，發(fā)現(xiàn)了其主要的失效過(guò)程和機(jī)理（見(jiàn)圖1）。

圖1 老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷故障樹(shù)

根據(jù)故障樹(shù)的底事件，首先建立影響頂事件老齡飛機(jī)腐蝕損傷發(fā)生的評(píng)判因素集U＝｛u1，u2，……um｝，其中u1～um為腐蝕損傷影響因素指標(biāo)。根據(jù)圖1分析可得老齡飛機(jī)腐蝕損傷的評(píng)判因素集U ＝｛服役環(huán)境、選材、涂層工藝、設(shè)計(jì)裝配、使用維護(hù)、工作應(yīng)力｝。

1.2 相對(duì)概率重要度分析

由于影響老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的因素眾多，而且每個(gè)因素所占的重要性比重不同，所以各因素的影響程度便是個(gè)模糊的問(wèn)題，它們之間的內(nèi)在關(guān)系我們可以借助權(quán)重系數(shù)來(lái)描述。通過(guò)對(duì)老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷評(píng)判因素相對(duì)概率重要度大小的衡量，以此對(duì)各個(gè)評(píng)判因素賦予相對(duì)應(yīng)權(quán)數(shù)。具體過(guò)程為：通過(guò)老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷故障樹(shù)分析，得到評(píng)判因素ui的相對(duì)概率重要度為Ic（i），其中i＝1，2，…，m.于是，得到的評(píng)判因素ui的權(quán)數(shù)為ai＝Ic。最后，可得到老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的所有評(píng)判因素權(quán)重集A＝a1，a2，……，am，其中a1～am為評(píng)價(jià)因素的權(quán)數(shù)，Σmi＝1ai＝1。本文采用了文獻(xiàn)［5］的研究成果，計(jì)算各評(píng)判因素的相對(duì)概率重要度。

2 建立評(píng)判模型

2.1 建立評(píng)價(jià)集與模糊關(guān)系矩陣

由于在不同服役環(huán)境下的不同老齡飛機(jī)其結(jié)構(gòu)腐蝕損傷程度不同，所以本文參考文獻(xiàn)［6］所用方法，首先建立了老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷評(píng)價(jià)等級(jí)這個(gè)評(píng)價(jià)集V＝｛v1，v2……vn｝，其中v1～vn為腐蝕損傷評(píng)價(jià)等級(jí)。由于V中各評(píng)價(jià)等級(jí)一般都具備不確定性或者模糊性特征，所以本文采用了專(zhuān)家評(píng)分的方法來(lái)對(duì)老齡飛機(jī)腐蝕損傷進(jìn)行等級(jí)打分，最終得到了各評(píng)價(jià)等級(jí)臨界取值，實(shí)現(xiàn)將定性概念用定量概念來(lái)加以描述。

為得到模糊關(guān)系矩陣，需要建立在服役環(huán)境下老齡飛機(jī)從結(jié)構(gòu)腐蝕損傷評(píng)判因素集U到評(píng)價(jià)集V的模糊映射。在本文中，通過(guò)隸屬關(guān)系來(lái)進(jìn)行描述這種模糊映射，即確定評(píng)判因素ui（i＝1，2，……m）對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vi＝（j＝1，2，……，n）的隸屬度rij，這樣得到了評(píng)判因素ui的評(píng)價(jià)集為rij＝ri1，ri2，……rin）。最后，將所有評(píng)判因素的評(píng)價(jià)集組成了一個(gè)m×n階的評(píng)判矩陣R ，其表達(dá)式為

2.2 綜合評(píng)判

最終，當(dāng)老齡飛機(jī)腐蝕損傷影響因素的權(quán)重集和評(píng)判矩陣R都確定之后，便可通過(guò)模糊關(guān)系變換，得到等級(jí)綜合評(píng)判B。

因此，B＝A·R＝［a1a2……an］·

等級(jí)綜合評(píng)判B作為評(píng)價(jià)集V上的模糊子集，是老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷模糊綜合評(píng)判的結(jié)果向量。

根據(jù)等級(jí)綜合評(píng)判B和評(píng)價(jià)集V中的評(píng)價(jià)等級(jí)取值，便可得到評(píng)判結(jié)果C為

最后，將得到的評(píng)判結(jié)果C與前面評(píng)價(jià)集V中評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界取值進(jìn)行比較。如果C＞V中評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值，則一定屬于該評(píng)價(jià)等級(jí)。這樣便得到了在當(dāng)前該服役環(huán)境下的老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料腐蝕損傷程度。

3 算例分析

3.1 不銹鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的模糊綜合評(píng)判

根據(jù)本文所提的方法，在當(dāng)前服役環(huán)境條件下，老齡飛機(jī)不銹鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的評(píng)判因素集為：U＝｛服役環(huán)境、不銹鋼材料、涂層工藝、設(shè)計(jì)裝配、使用維護(hù)、工作應(yīng)力｝。TB200教練機(jī)與大型運(yùn)輸機(jī)相比較，其設(shè)計(jì)可靠性略低，但是其結(jié)構(gòu)腐蝕損傷卻跟大型運(yùn)輸機(jī)相近，根據(jù)文獻(xiàn)［5］計(jì)算出底事件相對(duì)概率重要度，并且得到腐蝕損傷評(píng)判因素的權(quán)重集為

根據(jù)在當(dāng)前服役環(huán)境條件下，老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的評(píng)價(jià)集包括4個(gè)等級(jí)：輕微可允許腐蝕損傷、一般腐蝕損傷、較嚴(yán)重腐蝕損傷、嚴(yán)重腐蝕損傷［8］。并且根據(jù)文獻(xiàn)［6］，也是通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分法所得到的該評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界取值為

V ＝｛輕微可允許腐蝕損傷，一般腐蝕損傷，較嚴(yán)重腐蝕損傷，嚴(yán)重腐蝕損傷｝

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及相對(duì)概率重要度的分析結(jié)果，建立了影響因素ui（i＝1，2，……m），對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)vj（j＝1，2，……，n）的隸屬度，可得具備模糊關(guān)系的評(píng)判矩陣為

于是，可得到等級(jí)綜合評(píng)判為

該評(píng)判值大小介于輕微可允許腐蝕損傷與一般腐蝕損傷之間。因此評(píng)價(jià)在該服役環(huán)境條件下，老齡飛機(jī)不銹鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷為輕微可允許腐蝕損傷。

3.2 鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的模糊綜合評(píng)判

同上，由于鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕損傷評(píng)判因素的權(quán)重集與評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界取值和不銹鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)例分析的結(jié)果大致相同，因此其建立的腐蝕損傷模糊關(guān)系矩陣為

再根據(jù)權(quán)重集和模糊關(guān)系矩陣對(duì)老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷來(lái)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，從而通過(guò)計(jì)算得到等級(jí)評(píng)判矩陣為

該評(píng)判值大小是介于一般腐蝕損傷與較嚴(yán)重腐蝕損傷之間，因此評(píng)價(jià)在該服役環(huán)境條件下，老齡飛機(jī)的鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷為一般腐蝕損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明，該綜合方法能夠有效地解決當(dāng)前腐蝕損傷影響因素復(fù)雜的問(wèn)題。最終，通過(guò)對(duì)服役環(huán)境條件下TB200飛機(jī)不銹鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷綜合評(píng)判算例，表明了不銹鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕損傷性能要高于鋁合金結(jié)構(gòu)。

另外，本文所提出的模糊綜合評(píng)判還可以為老齡飛機(jī)維修提供指導(dǎo)與依據(jù)，例如在沿海及長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中的服役老齡飛機(jī)，維修過(guò)程中可將易腐蝕結(jié)構(gòu)多用不銹鋼來(lái)取代鋁合金，以此來(lái)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐腐蝕損傷性能。

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