考虑综合因素的飞行器复杂机构可靠性试验研究

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复杂机构在现代飞行器中广泛存在,工作状态直接影响飞行器飞行安全和任务执行能力。作为发现机构潜在失效模式、提高机构可靠性指标的有效手段,可靠性试验是飞行器机构设计过程中的必要工作。飞行器机构中,气动力载荷等使用载荷,以及振动、高低温等综合环境应力对机构的磨损、疲劳、腐蚀等耗损机理存在显著影响,而运动功能则是磨损等耗损机理发生的必要条件。由此,为有效激发出潜在失效模式,飞行器机构可靠性试验中必须考虑使用载荷、综合环境应力、运动功能的模拟等综合因素。现有的机构可靠性试验考虑因素较少,且传统的试验方法基于失效事件统计学,已经渐渐不能满足飞行器机构长寿命、高可靠性的设计要求。另外,作为获取机构寿命分布信息的重要手段,目前的可靠性仿真试验方法不考虑因素耦合作用;作为关键影响因素识别和机构优化设计的重要依据,现有的重要性测度方法不能如实反映分布参数的贡献。由此,本文主要进行如下几个方面的研究:(1)提出了一套考虑综合因素的飞行器复杂机构可靠性试验方法。该方法首先考虑综合因素,对部件级机构进行试验、评估和改进;在部件级机构通过试验的基础上,考虑关键因素,对系统级机构进行试验、评估和改进。试验过程中,采用可靠性寿命试验方法对机构的可靠性指标进行验证和评估;采用基于安全边界的可靠性试验方法对机构的失效模式进行失效机理分析和可靠性评估,并根据试验结果提出改进方案。上述两种试验方法相互交叉、相互支持,构成一个系统的有机整体。另外,对试验中涉及的关键技术进行了论述。(2)针对可靠性试验中可靠性指标验证和评估的问题,在现有以寿命为特征量的可靠性试验方法上进行发展和完善,形成了一套完整的可靠性寿命试验与评估方法。该方法首先在一定的置信度下,基于寿命分布的分散性信息和设计寿命来确定样本量和试验时间;然后编制试验大纲并进行试验;若全部样本通过试验,则认为现有方案满足设计要求,否则对机构进行可靠性评估,并对失效模式进行失效机理分析和改进;改进后重新进行试验,直到机构可靠性指标满足要求。(3)针对可靠性试验中失效机理分析及小样本情况下可靠性评估的问题,提出了基于安全边界的可靠性试验与评估方法。该方法首先采用故障模拟试验的方法对机构失效机理进行定性分析,并研究各影响因素对机构运动功能的影响;然后采用以故障模拟试验为主,以仿真分析为辅的方法获取机构安全边界,并基于安全边界和影响因素的联合概率密度函数对机构进行可靠性评估和更深层次的失效机理研究;最后依据试验结果提出改进方案。(4)针对试验前寿命分布分散性信息获取的问题,提出了基于多因素耦合的机构可靠性演化仿真试验方法。该方法首先对影响因素和机构状态进行了分类研究;然后考虑因素间的耦合关系建立机构可靠性模型;采用仿真试验的方法计算耗损量,以模拟机构的耗损过程,直到全部样本失效;依据仿真结果对样本寿命分布及分布参数进行统计分析,以获取机构可靠性演化规律及寿命的分散性信息。最后以某飞机起落架舱门锁为研究对象,采用该方法进行了仿真试验,并获得了其可靠性演化规律和寿命分布的分散性信息。(5)分别从部件级和系统级层面出发,考虑综合因素,设计了某飞机起落架舱门锁及锁系统的综合试验系统和试验装置。作为试验系统的核心部分,试验装置通过载荷加载系统实现使用载荷的加载,通过功能模拟系统实现试件运动功能的模拟,通过与其他试验设备的配合实现综合/关键环境应力的加载,从而实现综合因素(包括使用载荷、环境应力和运动功能的模拟)的加载。另外,试验装置重量轻、刚度大,能满足振动台控制要求和振动特性传递要求。(6)以某飞机起落架舱门锁系统为研究对象,在已有寿命分布分散性信息和综合试验装置的基础上,分别从部件级和系统级层面出发,采用本文所提试验方法对舱门锁和锁系统进行了可靠性试验与评估,并依据失效机理分析提出了改进方案。后续试验及实际使用情况表明,经过改进后,试验中出现的失效模式没有再次出现,改进方案的可靠性指标满足设计要求。(7)以某飞机缝翼机构为研究对象,对翼面载荷加载方案进行了研究,并设计了翼面载荷随动加载系统。随动加载系统通过钢索和杠杆机构进行加载,采用滑车-滑轨机构来控制载荷方向,采用直流电机来控制载荷大小,以保证模拟载荷在等效作用点、大小、方向等三方面等效于实际载荷。滑轨倾斜放置,以缩短滑轨长度;对相邻加载点的两套滑轨进行一体化设计,以减小体积;滑车的滚轮带有轮缘,可承担一定横向载荷。另外,基于机翼局部坐标系,设计了模拟机翼变形载荷加载系统,并介绍了缝翼机构的可靠性试验方法。(8)针对现有矩独立重要性测度方法不能反映随机因素位置参数对重要度贡献的缺点,提出了基于CDF(Cumulative Distribution Function)的新重要性测度方法。依据测试模型对本文所提方法的适用性进行了仿真计算和分析,分析结果表明,本文所提方法能如实反映影响因素各类分布参数对重要度的贡献。最后以舱门收放机构为案例,对本文所提方法的工程适用性进行了验证和分析。
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