飞机机体结构可靠性设计概论

高新技术

2017年6期︱35︱ 飞机机体结构可靠性设计概论

刘 斌 刘 毅 全 力

中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，陕西 汉中 723213

摘要：百年航空，飞机结构设计是航空产业发展的基础，没有载机任务系统便失去的依托，在新时期，飞机制造商和用户均对机体结构提出了以可靠性设计为代表的新准测。可靠性设计涉及飞机全生命周期的概率和数理统计范畴，其力求将所有的不确定因素纳入前期的设计工作中，对飞机结构设计人员的素质及视野提出了更加苛刻的要求。本文提出了飞机机体结构可靠性设计需注意的事项及今后的发展趋势。

关键词：飞机；结构设计；可靠性

中图分类号：V22 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）06-0035-01

1 概述 可靠性（Reliability）的定义是产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。在航空领域，可靠性指标已经被认为是产品是否达到使用要求的重要参量。可靠性设计以传统设计理念为基础上,将设计要求载荷、材料使用性能、零部件尺寸、结构强度要求等认定为尊从某些数理统计趋势的变量,依据相应的准则建立对应的数学概率取值模型并使用概率与数理统计原理及强度校核理论,求出在给定设计条件下零部件产生破坏的概率函数,再解出在给定输入前提下产品的某些特性，如零部件的大小、安全寿命等 ,使产品既满足安全运行需求又得出最优的设计值，设计方案更加经济并贴近生产实际。[1]可靠性对飞机的安全使用有着重要影响，在飞机制造过程中，在设计阶段就将可靠性列入方案，并进行充分的分析论证，可以确保飞机投入使用后的安全适航要求。

2 发展情况 50年代，德国工程师首先提出：一个系统的可靠度可表示为其子系统可靠度的乘积。80年代，美国研究人员建立了结构安全度的二阶矩模式，NASA 接受并发展了可靠性设计，利用应力强度干涉模型进行可靠性概率设计的研究[2]。在此期间相应的理论与方法相继被提出[3]，如：Monte Carlo 模拟法、矩方法和以矩方法为基础的可靠性理论、随机有限元法和非概率分析方法等，内容涉及静强度设计，疲劳强度设计，有限寿命设计等[4]。可靠性技术现在越来越受到航空业的重视，近 50 年来，出现了不少依托现代设计方法的科学研究。计算机辅助设计与可靠性设计理论的结合达到了一定的水平。 以Boeing 的B787和Airbus 的A380为代表的先进的飞机可靠性设计分析处于全球领先水平。其中B787强调在设计阶段就重点考虑产品维修性，综合设备排布，优化维修部位的维修可达性和全生命周期小维修次数。而A380通过设定指标并逐步分解、广泛应用新材料新技术、进行大量的模拟试验、开发自我检控系统，以及全面周到的服务等方式来保证A380的可靠性设计。国内尚处于探索发展阶段，最新代表ARJ21支线客机和C919干线客机。 可靠性设计的理论基础是极限应力和工作应力分别为服从于概率密度函数的随机变量,可以用强度-应力干涉理论计算出零件的可靠度或设计出在规定要求下的满足尺寸。要计算可靠度或失效概率需要知道概率密度函数或联合概率密度函数，鉴于工程实际的复杂性和统计数据的不成体系性，还不能准确地理清相关参数服从的分布曲线。设计参数服从多种形式的分布，如非正态分布，单纯使用理想的正态分布会给分析结果带来不确定的扰动，直接影响计算结果。 在极限状态方程里经常包含有非正太分布的基本变量，对这种情况进行分析时，R-F 算法会比较恰当，其精髓是在引入前面所述时，将非正太的随机变量做近似正太化处理，即便原本的密度函数和状态函数在求解点处与对应的正太分布变量函数相等，在使用时，将计算可靠性指标的迭代方法做修正处理。

3 发展趋势

当前，飞机结构可靠性设计多是侧重于部件的可靠度，这使得结构的整体性容易被遮掩。零组件的可靠,并不意味全机结构的可靠，应结合适航要求，进行整机全状态的数理分析。还要综合考虑其它因素的影响，比如运行环境、使用频率、突发事件（鸟撞、系

统故障等），来评估结构可靠性设计的全面性。

基于功能的可靠度设计将会是今后的发展方向。功能完整性是产品使用的目标，针对飞机承受不同水平的荷载特的点，在保证功能运行可靠的前提下，进行机体结构传力设计,能预先保障结构在整个运行期内充分发挥飞机的功能,方便维护和后续改装改进,也符合制造厂家及用户双方的经济效益。随着研究的深入,这必将成为保证功能要求的结构可靠性设计的发展趋势。

随着认识的不断发展，基于新的数理理论对飞机结构可能的不

确定性的非概率方面的认识也会不断革新。数学理论针对模型中参量的变动性、跳跃性和不确知性，有庞杂的分支在进行研究,需统筹

考虑这其中不确定性因素对于结构整体可靠性的影响并综合利用这

些理论对结构的可靠性进行解析。

4 结论

随着飞机设计理念及方法论的发展,飞机结构可靠性设计将由零组件设计向保障全机功能设计转变,这是可预见的必然趋势。 结构设计是否优略？可靠性指标是最直接的回答,随着研究的深入，更新、更准确的评估理论和不确定性理论会被广泛应用,将飞机结构的设计、制造以及后续使用维护过程中可能影响结构安全、耐久、适航等不确定性因素,逐步引入概论分析的结构设计方法,使设计方案能够更全面真实反映目标值,将是行业发展的终极目标。 参考文献：

[1]张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[M].张义民(东北大学机械工程与自动化学院沈阳.

[2]董聪.结构系统可靠性理论:进展与回顾[J].工程力学,2001,18(4): 79～88.

[3]张帆,胡云昌.结构可靠性指标统计不确定性的评价方法[J].机械强度,2002,24(3):409～412.

[4]陈肇元,杜拱辰.结构设计规范的可靠度设计方法质疑[J].建筑结构,2002,32(4):64～69.

（上接第 32 页） 新一次雷达信息的记录，最终把所观测到的数据进行统一处理、归档，然后与原始数据进行对比分析。 3 总结 综上所述，为提升我国航空航天事业的高速发展，不断将电子信息技术运动到航空气象设备之中，有效提升航空气象设备信息获取的准确性、可靠性与实效性，防止航空事业的运行受暴雨、雷电、台风、等恶劣天气的影响，避免经济损失。由此可见，将电子信息技术运动到航空气象设备中，能够使我国航空事业走向世界舞台。 参考文献：

[1]黄志刚,尹佳雨.试论信息技术在现代气象财务管理中的应用[J]. 电脑知识与技术,2017,(08):217-218.

[2]王阔音. 航空气象信息服务系统的设计与实现[D].中国矿业大学,2015.

[3]谢英伟. VPN 技术在航空气象信息服务中的应用[J]. 中国民航飞行学院学报,2008,(01):38-39+42.

[4]须剑良. 信息技术优势在航空气象服务竞争中的作用[J]. 中国民用航空,2004,(10):85-88.