機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法研究進(jìn)展及展望

李旭，劉聰，周堃，張宸，項(xiàng)運(yùn)良，郭贊洪，賀瓊瑤

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

以可靠性為中心的維修理論（RCM）[1]，根據(jù)邏輯決斷分析，可將飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品按重要程度分為A類(lèi)（關(guān)鍵有壽件）、B類(lèi)（重要有壽件）和C類(lèi)（一般有壽件）[2-5]。一般A、B類(lèi)產(chǎn)品需確定日歷壽命，C類(lèi)產(chǎn)品可以不確定日歷壽命，可隨飛機(jī)基體開(kāi)展翻修和到壽[6-7]。機(jī)載產(chǎn)品的使用壽命指標(biāo)包括疲勞壽命（飛行小時(shí)數(shù)或起落數(shù)）和日歷壽命（使用年限），它們均包括首翻期、修理間隔和總壽命[8]。對(duì)有壽機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行定延壽，是整機(jī)正常使用及生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保障[9-10]。根據(jù)傳統(tǒng)方法確定的飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的日歷壽命往往偏短，與飛機(jī)機(jī)體的翻修間隔也不匹配。故針對(duì)機(jī)載產(chǎn)品開(kāi)展合理的定壽工作，不僅可以減少維修工作量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，而且還能提高機(jī)載產(chǎn)品利用率，保障飛機(jī)安全飛行，最大限度地使機(jī)載產(chǎn)品與機(jī)體首翻期、翻修間隔期、總壽命協(xié)調(diào)一致。

1 機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法研究現(xiàn)狀

機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命研究基本上屬于可靠性領(lǐng)域。國(guó)外關(guān)于機(jī)載產(chǎn)品壽命研究遙遙領(lǐng)先于我國(guó)，早在1997年，就已著手更新用于故障率可靠性計(jì)算的軍事手冊(cè)[11]，其中故障率數(shù)據(jù)可反映產(chǎn)品的壽命情況。此時(shí)，我國(guó)關(guān)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的研究才處于起步階段，更別說(shuō)對(duì)機(jī)載產(chǎn)品展開(kāi)壽命研究。國(guó)外學(xué)者善于積累機(jī)載產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)[12]，并快速固化形成《可靠性增長(zhǎng)：提高防御系統(tǒng)的可靠性》[13]等參考書(shū)籍，用于產(chǎn)品定壽技術(shù)的指導(dǎo)。

我國(guó)海軍飛機(jī)普遍存在“飛少停多”的現(xiàn)象[14-16]，飛機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)載產(chǎn)品/設(shè)備的壽命等易受環(huán)境應(yīng)力（溫度、濕度、鹽霧、太陽(yáng)輻射等）及工作應(yīng)力（電應(yīng)力、振動(dòng)、熱效應(yīng)等）的影響，使得飛行小時(shí)數(shù)、使用年限（日歷壽命）、飛行著陸次數(shù)這三大壽命指標(biāo)的制定出現(xiàn)不合理、不匹配等問(wèn)題。20世紀(jì)80年代，我國(guó)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命，張福澤院士潛心研究20余載，提出飛機(jī)停放日歷壽命腐蝕溫度譜的編制方法[17]以及飛機(jī)日歷翻修期與總?cè)諝v壽命的確定方法和預(yù)計(jì)公式[18]，創(chuàng)立了包括金屬機(jī)件腐蝕損傷日歷壽命的理論計(jì)算公式和確定方法[19]、飛機(jī)日歷壽命的“區(qū)域定壽法”[20]等飛機(jī)日歷壽命確定體系。劉文珽等提出了腐蝕環(huán)境下飛機(jī)疲勞壽命估算方法[21]，通過(guò)線性累積損傷理論得到飛機(jī)的日歷壽命。同時(shí)，機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命的研究也進(jìn)入起步階段，但由于定壽技術(shù)較為落后，多采用廠內(nèi)壽命試驗(yàn)方法，使得定壽工作存在周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入大等問(wèn)題。機(jī)載產(chǎn)品定壽工作經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，一直未形成全面系統(tǒng)的方法，制約了在役飛機(jī)正常使用以及新研飛機(jī)的正常定壽。

機(jī)載產(chǎn)品包括電子產(chǎn)品、儀器儀表、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等，不同類(lèi)型機(jī)載產(chǎn)品的故障模式不同，故障機(jī)理存在差異，影響其日歷壽命的主要應(yīng)力剖面也有一定差別。機(jī)載產(chǎn)品所受機(jī)械載荷較小，但是應(yīng)力剖面又比較復(fù)雜，應(yīng)力類(lèi)型多，壽命指標(biāo)不明確，定壽方法的建立需要綜合考慮故障模式、故障機(jī)理、應(yīng)力剖面等多方面信息。相比于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的定壽工作，機(jī)載產(chǎn)品的定壽方法也存在較大區(qū)別，機(jī)載產(chǎn)品在飛機(jī)飛行和停放時(shí)經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力不同。飛機(jī)停放時(shí)，主要受溫度、濕度、鹽霧（熱帶海洋環(huán)境）等環(huán)境應(yīng)力；飛行時(shí)，考慮工況條件，機(jī)載產(chǎn)品還會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)、電應(yīng)力以及沖擊等工作應(yīng)力。因軍用飛機(jī)飛行強(qiáng)度普遍偏低，機(jī)載產(chǎn)品壽命指標(biāo)主要是日歷壽命，傳統(tǒng)的機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法給出的壽命指標(biāo)與機(jī)體壽命存在不協(xié)調(diào)，考核驗(yàn)證也沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致機(jī)載產(chǎn)品的使用存在未達(dá)壽命指標(biāo)而提前更換，或超過(guò)壽命指標(biāo)而過(guò)度使用的現(xiàn)象。飛機(jī)造價(jià)昂貴，提前更換未到壽機(jī)載產(chǎn)品會(huì)造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，而過(guò)壽命使用會(huì)影響飛機(jī)的飛行安全，造成不可挽回的事故。新研制的飛機(jī)都要求機(jī)體與機(jī)載產(chǎn)品壽命相協(xié)調(diào)，但都缺乏理論支撐和技術(shù)依據(jù)，沒(méi)有產(chǎn)出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)性文件。

近年來(lái)，對(duì)于機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽的方法，除了《航空技術(shù)裝備壽命和可靠性工作暫行規(guī)定》[22]中所述的幾類(lèi)常用的壽命確定方法外，還發(fā)展了基于可靠性的日歷壽命確定方法、機(jī)載產(chǎn)品延長(zhǎng)日歷壽命綜合分析決策方法、基于數(shù)學(xué)計(jì)算模型的飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品延壽方法等，可在一定程度上提高飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命與飛機(jī)翻修壽命的匹配性。

2 傳統(tǒng)的機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法

在以廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法、外場(chǎng)信息法、工程分析法[23-24]為代表的機(jī)載產(chǎn)品壽命指標(biāo)確定方法制定以來(lái)，機(jī)載產(chǎn)品的定壽工作得以有序開(kāi)展。

2.1 廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法

廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法是在實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)載產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境條件或在產(chǎn)品使用單位規(guī)定的環(huán)境條件下，根據(jù)試驗(yàn)類(lèi)型的差異，采用相應(yīng)的壽命評(píng)估方法（包括工程經(jīng)驗(yàn)法[25]、分析法、圖估計(jì)法），確定或驗(yàn)證產(chǎn)品壽命指標(biāo)的方法。廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法的具體過(guò)程如圖1所示。廠內(nèi)試驗(yàn)法是最常用的機(jī)載產(chǎn)品定壽方法，得到了生產(chǎn)單位的普遍認(rèn)可，并且是A類(lèi)機(jī)載產(chǎn)品定壽的首選方法。

圖1 廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法實(shí)施過(guò)程 Fig.1 Implementation process of the in-plant life test method

廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法具有試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)條件穩(wěn)定、試驗(yàn)過(guò)程易監(jiān)控、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度高、試驗(yàn)安全等優(yōu)點(diǎn)。但是，廠內(nèi)壽命試驗(yàn)也存在經(jīng)濟(jì)成本高、數(shù)據(jù)量少等不足。

2.2 外場(chǎng)信息法

外場(chǎng)信息法也叫無(wú)失效數(shù)據(jù)分析法，是利用機(jī)載產(chǎn)品在外場(chǎng)實(shí)際使用環(huán)境中積累的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到機(jī)載產(chǎn)品壽命分布規(guī)律，再結(jié)合廠內(nèi)試驗(yàn)得到的產(chǎn)品性能、功能及可靠性等信息展開(kāi)綜合分析，進(jìn)而確定產(chǎn)品壽命指標(biāo)的日歷壽命確定方法。外場(chǎng)信息法確定機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命的流程如圖2所示。研究表明，將外場(chǎng)信息法和內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)法相聯(lián)系的壽命外推法[26]也可應(yīng)用于機(jī)載產(chǎn)品的壽命確定。

圖2 外場(chǎng)信息法確定機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命的流程 Fig.2 Flow chart for determining the calendar life of airborne products by the field information method

外場(chǎng)信息法包括外場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法（殘存比率法、平均秩次法）、領(lǐng)先使用法和檢查法，具有數(shù)據(jù)來(lái)源更真實(shí)、經(jīng)濟(jì)成本低、日歷壽命確定更高效等優(yōu)點(diǎn)。但外場(chǎng)信息法沒(méi)有全面覆蓋機(jī)載產(chǎn)品在不同使用條件下影響因素的差異，確定的日歷壽命指標(biāo)只適用于該產(chǎn)品研制單位的同類(lèi)產(chǎn)品，不完全適用于其他單位的機(jī)載產(chǎn)品。

2.3 工程分析法

工程分析法主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品日歷壽命的確定。工程分析法包括薄弱環(huán)節(jié)法、相似法和折算法[27]。其中薄弱環(huán)節(jié)法（最短壽命零部件法）是根據(jù)產(chǎn)品中壽命最短的主要零部件的定壽，來(lái)制定該產(chǎn)品的壽命；相似法是通過(guò)已知壽命的相似產(chǎn)品來(lái)確定新產(chǎn)品壽命的定壽方法；折算法是將產(chǎn)品工作小時(shí)數(shù)、次數(shù)、循環(huán)數(shù)等單個(gè)壽命單位折算為飛行小時(shí)、起落次數(shù)或發(fā)動(dòng)機(jī)小時(shí)來(lái)確定壽命的方法。該方法確定壽命的流程見(jiàn)圖3。工程分析法具有節(jié)約經(jīng)費(fèi)、費(fèi)時(shí)短、數(shù)據(jù)量要求低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在確定的壽命值過(guò)于保守等缺點(diǎn)。

圖3 工程分析法確定產(chǎn)品日歷壽命流程 Fig.3 Flow chart for determining product calendar life by engineering analysis method

3 機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法的優(yōu)化與發(fā)展

傳統(tǒng)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命的確定方法存在一定的缺陷，故在工程實(shí)踐過(guò)程中，相關(guān)學(xué)者在機(jī)載產(chǎn)品傳統(tǒng)定壽方法的基礎(chǔ)上，為使機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命得以充分利用，減少經(jīng)濟(jì)損失，提出基于可靠性的壽命試驗(yàn)方法，并對(duì)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命進(jìn)行了延壽優(yōu)化。將影響機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命的環(huán)境因素、歷史故障數(shù)據(jù)等信息綜合分析，建立數(shù)學(xué)聯(lián)系，并向信息化的定延壽手段發(fā)展，使得機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命確定更加經(jīng)濟(jì)可靠。

3.1 基于可靠性的定壽方法

在傳統(tǒng)定壽方法的基礎(chǔ)上，基于可靠性的壽命分析方法逐漸發(fā)展，主要是在分析產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)后，開(kāi)展基于可靠性的壽命試驗(yàn)。主要包括常規(guī)應(yīng)力試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和使用環(huán)境下的壽命試驗(yàn)三類(lèi)。分析產(chǎn)品的應(yīng)力剖面以及失效機(jī)理，采用相應(yīng)的加速模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到加速系數(shù)，將加速系數(shù)與加速試驗(yàn)條件下得到的失效時(shí)間相乘，即可得到產(chǎn)品的壽命信息[28]。計(jì)算加速系數(shù)的模型包括：阿倫尼烏斯模型、逆冪律模型（S-N模型）、艾因模型、電壓模型、機(jī)械裂紋模型等。

基于可靠性的機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命方法是一套比較完整的定壽方法，從產(chǎn)品出發(fā)，考慮了故障模式、環(huán)境因素以及適用模型等多方面影響壽命計(jì)算的本質(zhì)原因，是現(xiàn)在機(jī)載產(chǎn)品定壽的主要方法。但基于可靠性的機(jī)載產(chǎn)品定壽方法在多因素綜合加速技術(shù)實(shí)施上有一定難度。

3.2 機(jī)載產(chǎn)品延長(zhǎng)日歷壽命綜合分析決策方法

空軍工程大學(xué)的邵青等人[29]提出機(jī)載產(chǎn)品的綜合分析決策延壽方法，首先根據(jù)邏輯決斷需延壽機(jī)載產(chǎn)品的重要度（A、B、C三類(lèi)）；再結(jié)合外場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法、試驗(yàn)研究法、相似產(chǎn)品法、領(lǐng)先使用法給出機(jī)載產(chǎn)品的初始日歷壽命；接著聯(lián)系風(fēng)險(xiǎn)矩陣，評(píng)定日歷壽命延長(zhǎng)值；然后結(jié)合故障模式、影響及危害分析（FMECA）和故障樹(shù)（FTA）方法[30]，確定機(jī)載產(chǎn)品延壽后預(yù)防維修措施；最后將日歷壽延長(zhǎng)值和延壽后預(yù)防維修措施作為綜合分析決策方法的結(jié)論。機(jī)載產(chǎn)品延長(zhǎng)日歷壽命綜合分析決策方法的步驟如圖4所示。

圖4 綜合分析決策延壽方法的分析步驟[29] Fig.4 Analysis steps of comprehensive analysis and decision-making life extension method[29]

3.3 基于數(shù)學(xué)模型的機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命延長(zhǎng)方法

李鄭琦等[31]針對(duì)外場(chǎng)數(shù)據(jù)法，確定了機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命存在的不足。首先建立機(jī)載產(chǎn)品使用影響因素（13個(gè)）體系，構(gòu)建支持向量機(jī)[32]（SVM）回歸分析模型，預(yù)測(cè)機(jī)載產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，并與該產(chǎn)品已知的故障率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型精度。再利用支持向量機(jī)回歸分析模型對(duì)未知壽命的機(jī)載產(chǎn)品進(jìn)行故障率預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖5），通過(guò)故障率和可靠度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到機(jī)載產(chǎn)品平均故障時(shí)間（MTBF），作為定延壽依據(jù)。

圖5 支持向量機(jī)（SVM）回歸分析模型預(yù)測(cè)故障率流程[31] Fig.5 Flow chart of Support Vector Machine (SVM) regression analysis model to predict failure rate [31]

門(mén)煜童等[33]也構(gòu)建了10個(gè)影響因素（包括時(shí)間）的體系，提出改進(jìn)粒子群的T-S推理網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)該模型預(yù)測(cè)機(jī)載產(chǎn)品的故障率（見(jiàn)圖6），并進(jìn)行故障率擬合，依靠故障率和可靠度之間數(shù)據(jù)，計(jì)算得到機(jī)載產(chǎn)品平均故障時(shí)間。將所得的平均故障時(shí)間作為定延壽依據(jù)，可對(duì)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命進(jìn)行確定或延 長(zhǎng)。對(duì)比SVM回歸分析模型，T-S推理網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)精度進(jìn)行了自主控制，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。

圖6 T-S推理網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)產(chǎn)品故障率流程[33] Fig.6 Flow chart of T-S reasoning network model to predict product failure rate[33]

經(jīng)過(guò)數(shù)10年的發(fā)展，機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法已經(jīng)開(kāi)始聯(lián)系實(shí)際使用環(huán)境，逐漸采用信息化數(shù)據(jù)處理手段，不斷創(chuàng)新、發(fā)展，但仍未形成體系化的定壽技術(shù)和方法。此外，利用傳感器技術(shù)，再聯(lián)系信息融合技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)建模等有效方法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）技術(shù)可以完成試驗(yàn)機(jī)的壽命管理[34]工作。受此研究的啟發(fā)，將SHM技術(shù)進(jìn)行加工、改進(jìn)，有望將其運(yùn)用于未來(lái)機(jī)載產(chǎn)品的定延壽工作。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)機(jī)載產(chǎn)品定壽工作普遍依賴(lài)傳統(tǒng)的定壽方法，雖然在近十年內(nèi)對(duì)傳統(tǒng)定壽方法指出了日歷壽命指標(biāo)偏低的問(wèn)題，進(jìn)行了延壽技術(shù)的改良及發(fā)展，取得了一定可觀的成績(jī)，但仍未形成合理、可靠、成體系的機(jī)載產(chǎn)品定壽方法指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)及著作，未形成一次性準(zhǔn)確、快速地給出機(jī)載產(chǎn)品可靠日歷壽命的定壽方法。從定壽技術(shù)角度上分析，現(xiàn)階段機(jī)載產(chǎn)品定壽技術(shù)未能根據(jù)機(jī)載產(chǎn)品類(lèi)別（涉電產(chǎn)品、受力產(chǎn)品、電磁產(chǎn)品、機(jī)械產(chǎn)品等）、環(huán)境適應(yīng)性、敏感性能/功能故障情況以及工況條件設(shè)計(jì)不同類(lèi)別機(jī)載產(chǎn)品的定壽技術(shù)途徑，使得機(jī)載產(chǎn)品定壽困難，沒(méi)有突破性進(jìn)展；在定壽方法上，未能聯(lián)系飛機(jī)實(shí)際使用環(huán)境，開(kāi)展內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，未能與時(shí)俱進(jìn)地應(yīng)用信息化手段跟蹤監(jiān)測(cè)機(jī)載產(chǎn)品壽命情況，使得機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定壽方法停滯不前。為使今后機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定延壽工作面向系統(tǒng)化、高效化、成熟化、以及高可靠性發(fā)展，作出以下幾點(diǎn)展望。

1）以定壽技術(shù)和方法存在的不足為出發(fā)點(diǎn)，找準(zhǔn)機(jī)載產(chǎn)品的共性和差異，分類(lèi)確定機(jī)載產(chǎn)品的定壽方法，并驗(yàn)證定壽方法的可靠性，突破機(jī)載產(chǎn)品一次定壽，精準(zhǔn)可靠。

2）以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)機(jī)載產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力剖面和工作應(yīng)力剖面歷史數(shù)據(jù)分析，確定環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力的量值，并作為仿真輸入，實(shí)現(xiàn)機(jī)載產(chǎn)品壽命參數(shù)預(yù)示預(yù)計(jì)。

3）利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，建立關(guān)于機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定延壽工作分析系統(tǒng)/軟件以及智能的壽命試驗(yàn)裝置。

4）建立指導(dǎo)機(jī)載產(chǎn)品日歷壽命定延壽工作開(kāi)展的相關(guān)方法、標(biāo)準(zhǔn)，提升技術(shù)共享的廣度和深度。