飞机典型机构运动功能可靠性建模方法及应用

摘要

运动机构作为传递运动规律和载荷的机械装置在飞机中广泛应用，其可靠性直接影响飞机安全或任务完成。我国在各类新型飞机的研制过程中，暴露出了不少严重的机构运动功能可靠性问题，这也成为了飞机研制的瓶颈之一。而传统的基于失效数据和退化数据的可靠性方法在机构运动功能可靠性评估中存在诸多问题，因此，针对飞机运动机构的失效模式和特点，研究其运动功能可靠性评估体系和建模方法迫在眉睫。本文从以下三个方面对机构运动功能可靠性进行研究：首先，针对飞机运动机构失效特点构建了运动功能可靠性评估体系，并对其中的关键技术进行了研究；其次，由于飞机机构自身特点各不相同，所以本文选取了飞机上三类典型机构（齿轮齿条式缝翼机构、连杆式收放机构以及机械锁类机构），研究了三类典型机构的可靠性建模方法并形成了应用案例；最后，针对机构动作同步性失效问题，提出了较为通用的机构动作同步可靠性评估方法。
　　本研究主要内容包括：⑴从宏观层面对机构的失效模式、失效原因和失效特点进行了研究。首先，将机构失效分为构件失效、单个机构的运动功能失效和多个机构整体功能失效三类；其次，指出影响因素的随机性和部件损伤累积是导致机构失效的两个根本原因，并详细分析了影响因素随机性和几种主要损伤类型对机构运动功能可靠性的影响；最后，对机构的失效特点进行总结归纳，指出耦合和随时间演化为机构失效的典型特点。⑵针对机构失效的原因和特点，提出了考虑损伤的机构运动功能可靠性评估体系并形成技术框架。首先对机构可靠性进行定性分析，获取机构的主要失效模式、失效机理、影响因素、损伤部位及类型；再以失效模式为核心，将机构部件的损伤模型融入理想机构的动力学模型，形成机构的损伤演化模型；最后，对模型进行修正和验证后，利用给出的机构多失效模式和可靠性演化分析方法对机构进行可靠性评估。该评估体系能够反映机构失效的过程和机理，从本质上分析故障原因、摸清内在失效机理，并且给出根本的设计改进意见，亦适用于飞行器机构、火炮机构、汽车机构和其他工程机构。⑶对齿轮齿条式缝翼机构的失效模式和失效机理进行了深入研究。推导了缝翼机构的数学模型，给出了缝翼机构的仿真建模方法，并对仿真建模中的关键技术进行了研究，包括气动载荷的转换方法、扭力杆建模方法、机翼变形模拟方法以及分析步设置方法。最后，基于该建模方法对某飞机缝翼机构进行了可靠性评估并对故障状态下缝翼的性能进行了研究。⑷针对飞机连杆式收放机构的定位精度可靠性问题，提出了考虑多种因素的定位精度可靠性分析及建模方法，包括机构装配体变形建模方法、铰链均匀和不均匀磨损建模方法以及考虑加工误差和铰链间隙的机构运动学建模和求解方法。其中，铰链不均匀磨损建模方法的提出使得铰链磨损计算结果更加符合实际。将该方法应用到两个飞机舱门收放机构，得到了机构的定位精度可靠度，并依据可靠性灵敏度分析结果，对设计改进和使用维护工作提出了指导意见。⑸对飞机多个机械锁机构的组成和功能原理进行分析后，总结了机械锁类机构的特点和失效模式，并对其可靠性建模方法进行了研究。以某机械锁为研究对象，分析得到运动卡滞为该锁机构的主要失效模式，通过可靠性建模和分析得到开锁过程中构件载荷过大和滚轴材料硬度不足是引起锁机构失效的主要原因。将锁键坡度由65°减小到60°并将滚轴材料由0Cr18Ni9替换为30CrMnSiA后，锁机构的可靠性得到显著提升，解决了该型号飞机锁机构可靠性不足的问题；最后，考虑锁机构中锁键表面的磨损和塑性变形两种损伤，研究了锁机构的可靠性演化规律，得到了锁机构的可靠寿命。⑹针对机构动作时间分布类型或分布参数不同的特点，提出了一种较为通用的同步可靠性评估方法，该方法从两个机构的同步可靠性出发，利用递归算法求得多个机构的同步可靠度。再对上述方法进行发展，提出了综合考虑单个机构动作时间要求和同步性要求的可靠性精确评估方法和区间估计方法。通过与MC法的计算结果对比，证明了所提方法的正确性。最后，研究了分布类型和分布参数相同时，机构数量、极差要求和标准差对同步可靠性的影响规律，该结果对指导具有同步性要求的机构设计具有重要意义。

目录

第一章 绪论

1.1背景及意义

1.2国内外相关领域研究现状

1.3存在的主要问题

1.4论文主要研究内容

第二章 运动机构失效特点及可靠性评估体系研究

2.1运动机构可靠性问题概述

2.2机构失效原因分析

2.3机构失效特点研究

2.4考虑损伤的飞机机构运动功能可靠性评估体系

2.5飞机复杂机构功能可靠性评估关键技术研究

2.6机构可靠性评估方法

2.7本章小结

第三章 齿轮齿条式缝翼机构可靠性建模方法研究

3.1引言

3.2齿轮齿条式缝翼机构运动原理

3.3齿轮齿条式缝翼机构失效模式及失效机理研究

3.4缝翼机构数学模型研究

3.5缝翼机构仿真建模方法及关键技术研究

3.6某缝翼机构可靠性研究

3.7本章小结

第四章 连杆式收放机构定位精度可靠性建模方法研究

4.1连杆机构定位精度可靠性问题概述

4.2连杆式收放机构定位精度可靠性分析方法

4.3机构构件变形建模方法

4.4铰链磨损建模方法研究

4.5考虑加工误差和间隙的定位精度建模方法研究

4.6某舱门收放机构关闭状态定位精度可靠性研究

4.7某舱门收放机构打开状态定位精度可靠性研究

4.8本章小结

第五章 飞机机械锁类机构可靠性问题研究

5.1机械锁类机构工作原理及特点分析

5.2锁机构失效模式分析及建模方法

5.3某机械锁失效分析及可靠性评估

5.4考虑部件损伤的锁机构可靠性演化特性研究

5.5 本章小结

第六章 机构动作同步可靠性评估方法研究

6.1机构同步性问题描述及现有同步可靠性评估方法

6.2同步可靠性评估方法研究

6.3验证方法及数值算例

6.4某折叠尾翼展开动作同步可靠性分析

6.5机构数量和极差要求对同步可靠性的影响分析

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 论文主要创新和成果

7.3 不足及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及课题研究

致谢

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