民用飛機環(huán)境與偶然損傷評定及間隔期確定方法

劉信超,劉 昕,關(guān)天陽,左洪福,鮑俊平

(1.南京航空航天大學(xué)， 南京 210000； 2.中國商用飛機有限責(zé)任公司， 上海 200000；3.南昌航空大學(xué)， 南昌 330063)

【后勤保障與裝備管理】

民用飛機環(huán)境與偶然損傷評定及間隔期確定方法

劉信超1,劉 昕2,關(guān)天陽3,左洪福1,鮑俊平1

(1.南京航空航天大學(xué)， 南京 210000； 2.中國商用飛機有限責(zé)任公司， 上海 200000；3.南昌航空大學(xué)， 南昌 330063)

通過分析空客和波音公司相似機型的分析方法和經(jīng)驗，確定了國產(chǎn)客機結(jié)構(gòu)維修工程分析中ED、AD等級評級和檢查間隔期確定的初步思路，并以某國產(chǎn)客機艙門為例進行分析。該確定方法可為進行詳細(xì)維修工程分析提供參考，適用于某國產(chǎn)客機結(jié)構(gòu)維修工程分析工作。

結(jié)構(gòu)維修大綱；環(huán)境損傷；偶然損傷；檢查間隔期

維修大綱是持續(xù)適航文件的一部分，它給出了飛機的初始最低預(yù)定維修要求。當(dāng)前，國際主流機型均根據(jù)MSG-3思想編制維修大綱。在MSG-3思想中，結(jié)構(gòu)維修大綱包括三部分內(nèi)容：環(huán)境損傷(Environmental Deterioration)ED(含腐蝕防腐與控制大綱(Corrosion Prevention and Control Program)CPCP)，偶然損傷(Accidental Damage)AD和疲勞損傷(Fatigue Damage)FD[1]。

飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用兩種設(shè)計原則，即損傷容限設(shè)計和安全壽命設(shè)計[2]。在進行結(jié)構(gòu)檢查大綱制定時，屬于安全壽命設(shè)計的重要結(jié)構(gòu)件(Structural Significant Item)SSI進行安全壽命分析；屬于損傷容限設(shè)計的SSI進行FD分析，其中的主要結(jié)構(gòu)件(Principal Structure Elements)PSE以及適航限制項(Airworthiness Limitation Items)ALI進入適航性限制文件，非PSE/ALI進入結(jié)構(gòu)檢查大綱。而對所有SSI均要進行AD、ED分析評定。

根據(jù)對ED、AD的評定，結(jié)構(gòu)初始檢查大綱給出各SSI的相應(yīng)檢查方法與檢查間隔期從而得到該區(qū)域為保證結(jié)構(gòu)持續(xù)適航性的最低維護計劃。最終檢查大綱的兩個基本部分是首次檢查期(門檻值)和重復(fù)檢查間隔期[3]。首次檢查期是在飛機型號許可審定過程中以制造廠家為主確定，經(jīng)管理當(dāng)局批準(zhǔn)認(rèn)可。在首次檢查期后，除了按規(guī)定進行疲勞損傷檢測工作外，還需要利用抽樣方法完成疲勞檢測工作[4]。

吳昊[5-6]等人建立偶然損傷分析的指標(biāo)評定體系，利用粗糙集理論改進的AHP(Analytic Hierarchy Process)方法確定各個指標(biāo)，從而科學(xué)地計算出損傷總等級，進而精確地得出損傷檢查間隔期。柏文華[7-8]等人利用矩陣法、模糊理論對結(jié)構(gòu)ED評級與確定間隔期。

本文根據(jù)相似機型PPH(Policy and Procedures Handbook)手冊[9][10]，分析了空客和波音公司相似機型的分析方法和經(jīng)驗，給出了某國產(chǎn)客機ED、AD等級確定的方法，給出了國產(chǎn)客機結(jié)構(gòu)維修工程分析中ED、AD間隔期確定的初步思路，并以某國產(chǎn)客機艙門為例進行分析。

1 ED等級的確定

環(huán)境損傷是指結(jié)構(gòu)與有害環(huán)境相互作用造成的結(jié)構(gòu)強度下降，包括金屬材料腐蝕和非金屬材料惡化兩個方面。確定飛機結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷等級EDR(Environmental Deterioration Rate)時要考慮材料腐蝕特性、防護體系、使用環(huán)境的影響。

1.1 空客ED因素分析與評級

1.1.1 金屬結(jié)構(gòu)ED評級

針對金屬結(jié)構(gòu)項目，為了能即時地探測到環(huán)境損傷，考慮了對各種腐蝕的敏感性、使用的保護類型、使用環(huán)境的影響。評級步驟：1)選擇材料潛在的腐蝕類型；2)確定級別，包括應(yīng)力腐蝕級別、其他腐蝕級別、保護等級級別、環(huán)境等級級別，其中其他腐蝕級別包括晶間腐蝕、點蝕、均勻腐蝕、電偶腐蝕、絲狀腐蝕、微生物腐蝕和磨損腐蝕等；3)綜合各等級得出綜合等級。根據(jù)綜合等級，確定初始維修的門檻值，進而確定檢查方式和重復(fù)檢查間隔時間。各等級確定如圖1，圖1描述了金屬結(jié)構(gòu)ED 評定綜合等級過程的確定。其中RD(Redesign)表示結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計。

選定材料后，在其它腐蝕類型等級中，選擇最低等級，將該等級與內(nèi)應(yīng)力腐蝕類型等級組成矩陣表，在對應(yīng)的行與列中確定等級值m。保護等級與環(huán)境等級和意外損傷結(jié)合，確定等級值n。根據(jù)m和n在綜合等級-間隔矩陣表中確定檢查間隔期。

圖1 空客某相似機型結(jié)構(gòu)等級及間隔期確定流程

1.1.2 非金屬結(jié)構(gòu)ED評級

非金屬結(jié)構(gòu)，主要是指復(fù)合材料。復(fù)合材料由于有比強度高，比模量高，重量輕等優(yōu)點，所以在飛機中大量應(yīng)用。由于其材料本身的特殊性，有必要進行單獨分析，分析的全過程見圖2。

圖2 空客某相似機型非金屬ED分析流程

1.2 波音ED因素分析與評級

1.2.1 金屬結(jié)構(gòu)ED評級

波音金屬結(jié)構(gòu)ED因素分析與評級考慮以下幾個方面：SSI可見性、對損傷尺寸的敏感性、環(huán)境保護、暴露于不利環(huán)境的影響。SSI可見性、對損傷尺寸的敏感性兩個因素確定可探測性值，見表1。環(huán)境保護、暴露于不利環(huán)境的影響兩個因素確定敏感性值，見表2。EDR是可探測性值和敏感性值之和。

通過以上兩個矩陣表可以求出：應(yīng)力腐蝕的環(huán)境損傷等級EDR-(S)、其他腐蝕的環(huán)境損傷等級EDR-(C)，兩者中最小值作為金屬結(jié)構(gòu)的環(huán)境損傷等級EDR，EDR是ED/AD評級中的ED評級值，分析過程見圖3。

表1 可探測性值的確定

表2 敏感性值的確定

圖3 波音某相似機型ED/AD分析流程

各部段檢查間隔期對照表如表3、表4、表5、表6所示。

1.2.2 非金屬結(jié)構(gòu)ED評級

波音非金屬結(jié)構(gòu)ED因素分析與評級過程見圖4、圖5。

表3 某相似機型機翼結(jié)構(gòu)檢查頻率

注：FH為飛行小時。

表4 某相似機型起落架結(jié)構(gòu)檢查頻率

表5 某相似機型機翼吊掛結(jié)構(gòu)檢查頻率

表6 某相似機型機身結(jié)構(gòu)檢查頻率

2 AD等級的確定

結(jié)構(gòu)偶然損傷檢查間隔期的確定是民機維修大綱制定中的重要一環(huán)，偶然損傷是由一些離散隨機事件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有剩余強度降低的損傷，可能發(fā)生在任一飛機的任何部位。損傷源主要存在飛機的內(nèi)部/外部以及系統(tǒng)之中，分為制造缺陷和在運營、維護過程中造成的偶然損傷兩大類。偶然損傷的特點是隨機發(fā)生，降低了固有的剩余強度。為了滿足飛機適航持續(xù)要求，對于重要結(jié)構(gòu)項目任何可檢偶然損傷，必須進行維修。對于不同結(jié)構(gòu)、不同形式的損傷，應(yīng)該采用不同的維修方法，這樣可在滿足可靠性要求的前提下降低維修成本。

圖4 波音某相似機型非金屬ED/AD分析評級流程

圖5 波音某相似機型非金屬結(jié)構(gòu)ED/AD 等級分析

2.1 空客AD因素分析與評級

2.1.1 金屬結(jié)構(gòu)AD評級

檢查方法以及相關(guān)間隔期的制定建立在以下步驟的基礎(chǔ)上：

(1)SSI對不同形式偶然損傷的敏感性評估；

(2)有關(guān)偶然損傷是否被其他SSI評估包括；

(3)損傷類型，位置和尺寸的估計；

(4)環(huán)境影響——在環(huán)境損傷中考慮的損傷；

(5)疲勞影響——在疲勞損傷中考慮的損傷。

敏感性評估是指判斷SSI暴露于以下?lián)p傷源的頻率和位置，確定SSI顯著損傷源的敏感率可能還是不可能。損傷原因包括：地面操作設(shè)備事故、貨艙操作設(shè)備事故、維護步驟錯誤、營運步驟錯誤、氣候影響、鳥擊、跑道碎片撞擊、液體溢出和制造過程中形成的缺陷等。根據(jù)確定的顯著損傷源及其敏感性，確定初始損傷評估位置、尺寸，評估AD初始損傷對疲勞、腐蝕行為影響的程度并決定FD、ED評估時是否必須考慮。

2.1.2 非金屬結(jié)構(gòu)AD評級

空客非金屬AD分析方法如圖6所示。其中的可能性評估和主導(dǎo)損傷確定同金屬結(jié)構(gòu)。如果評估結(jié)果為AD可能發(fā)生，則根據(jù)表7選擇對應(yīng)的檢查結(jié)構(gòu)。

表7 剩余強度與檢查間隔期

注：1.A、C檢的檢查間隔作為檢查間隔，A檢是比日常維護工作增加一些深度和廣度的檢查，C檢是為了保持飛機的持續(xù)適航性遍布整個飛機的更深層次的檢查。 2.在MSG-3分析表格中規(guī)定為2.5年。然而，MSG-3只是作為一個指導(dǎo)文獻。對于所有低于5年的檢查間隔期來說，必須注明該間隔期已確定。 3.N/A表示不需要制定檢查間隔期。

圖6 空客非金屬SSI 的AD分析

2.2 波音AD因素分析與評級

ADR(Accidental Damage Rate)等于實時檢查值、敏感性值之和。

實時檢查值可以由表8得出。評估這個值要基于偶然損傷之后的損傷敏感性和所要檢查結(jié)構(gòu)的可見性。敏感性值可以從表9矩陣中得到。這個值是基于結(jié)構(gòu)偶然損傷可能性和偶然損傷之后的剩余強度。

表8 實時檢查矩陣

表9 敏感性值

3 某國產(chǎn)客機ED、AD因素分析與評級

3.1 某國產(chǎn)客機ED因素分析與評級

對于金屬結(jié)構(gòu)項目，波音、空客分別從可檢性的角度、金屬材料本身對各種腐蝕的敏感性出發(fā)對ED進行分析。波音需要參照以往設(shè)計機型的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，且根據(jù)部段設(shè)置不同的間隔對照表，工作量大。而空客的時間間隔對照表只有一張，制定工作表十分方便。

對于非金屬結(jié)構(gòu)項目，空客公司總結(jié)了大量的實驗數(shù)據(jù)，認(rèn)為對非金屬結(jié)構(gòu)沒有必要做詳細(xì)的檢查，做一般的目視檢查(General Visual Inspection)GVI即可。

波音某相似機型對非金屬結(jié)構(gòu)ED的分析，考慮的環(huán)境因素與空客大致相同?？梢源_定結(jié)構(gòu)對每一個環(huán)境因素敏感性(高、中、低)，從中選出最小的值即為非金屬結(jié)構(gòu)的EDR值。在通過ADR的值就可以進一步確定檢查間隔期。由此可見，波音公司在考慮復(fù)合材料時相對保守。

經(jīng)過以上的分析，針對金屬結(jié)構(gòu)，參考空客，制定一張間隔期對照表。針對非金屬結(jié)構(gòu)，按照波音的分析流程分析。

確定EDR時，需要考慮可見性指標(biāo)VR、腐蝕敏感性SC、環(huán)境保護性PR、環(huán)境影響等級EV。

可見性指標(biāo)VR包括口蓋尺寸、眼睛與SSI 項目的距離、設(shè)備稠密度等級，分別用VR1、VR2、VR3表示，VR為VR1、VR2、VR3的平均值。

腐蝕敏感性SC包括對應(yīng)力腐蝕敏感性的等級(SC1)、對其他腐蝕的敏感性等級(SC2)，SC為SC1、SC2的平均值。

環(huán)境保護性PR即PR1。

其中VR1、VR2、VR3、SC1、SC2、PR1、EV在高、中、低時，分別取0、1、2。

3.2 某國產(chǎn)客機AD因素分析與評級

確定EDR需要考慮以下幾個因素：損傷可能性指標(biāo)等級LK、可見性指標(biāo)等級VR、損傷敏感性等級SD、剩余強度等級RS。

損傷可能性指標(biāo)LK包括地面操作設(shè)備造成損傷的可能性等級LK1、貨運設(shè)備造成損傷的可能性等級LK2、人為失誤造成損傷的可能性等級LK3、雨水、冰雹等造成損傷的可能性等級LK4、跑道的碎片、殘骸造成損傷的可能性等級LK5、雷擊造成損傷的可能性等級LK6、液體浸泡造成損傷的可能性等級LK7、其它因素LK8。LK為LK1至LK8均值。

可見性指標(biāo)VR包括口蓋尺寸、眼睛與SSI 項目的距離、設(shè)備稠密度等級，分別用VR1、VR2、VR3表示，VR為VR1、VR2、VR3的平均值。

金屬的損傷敏感性等級SD包括應(yīng)力水平等級SD1、斷裂韌性等級SD2，非金屬的損傷敏感性等級SD包括應(yīng)力水平等級(SD1)、對損傷擴展的敏感性等級(SD3)。SD為SD1、SD2的均值或SD1、SD3的均值。

LK1至LK8、VR1、VR2、VR3、SD1、SD2、SD3、RS在高、中、低時，分別取0、1、2。

4 間隔期確定

4.1 空客綜合等級與間隔期的確定

對金屬結(jié)構(gòu)項目，根據(jù)圖1確定間隔期。

對非金屬結(jié)構(gòu)項目的影響因素等級評定和間隔期的確定，因為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受環(huán)境變化的影響并不敏感，空客并沒有給出具體的方法，但在制定結(jié)構(gòu)維修大綱時，考慮了在使用環(huán)境中長期的時效影響因素。

4.2 波音綜合等級與間隔期的確定

對金屬結(jié)構(gòu)項目，根據(jù)圖3確定間隔期。

對非金屬結(jié)構(gòu)項目，參考圖4。

4.3 波音與空客在確定結(jié)構(gòu)間隔矩陣表方法上的對比分析

在ED分析中，波音與空客指標(biāo)權(quán)重的分配上有較大區(qū)別，波音將暴露于不利環(huán)境的概率以及材料本身對各種腐蝕敏感性算作一個指標(biāo)，空客將兩種因素算作兩個指標(biāo)，并且這兩個指標(biāo)在空客的評級體系中占有較大權(quán)重。

另外，波音和空客對待AD的方式不一樣，波音公司單獨進行AD分析，在AD與ED等級合并時，考慮AD發(fā)生概率，高概率時取AD、ED等級最小值，低概率時以ED為準(zhǔn)?？湛凸静粏为氝M行AD分析，只考慮AD對ED的影響，首先考慮AD的可能性及主要損傷源、損傷部位及尺寸，其次在ED評級時考慮AD的影響并降低ED保護性指標(biāo)等級。

對于非金屬材料ED，波音考慮了材料結(jié)構(gòu)特性、抗惡劣環(huán)境的特性、惡劣環(huán)境的可能性?？湛涂紤]運營經(jīng)驗、環(huán)境特性及承載因素。承載因素指的是在惡劣環(huán)境下?lián)p傷擴展性的評估，環(huán)境特性指的是材料本身抗惡劣環(huán)境的能力，綜合以上三個指標(biāo)選取最惡劣情況，根據(jù)工程經(jīng)驗及設(shè)計特性給出間隔期和檢查方式，一般選取GVI。

除了以上區(qū)別，在間隔期對照表的設(shè)置方式也不一樣，波音根據(jù)部段設(shè)置不同的間隔期對照表，空客全機結(jié)構(gòu)在AD、ED評級時設(shè)置一個間隔期對照表。

4.4 某國產(chǎn)客機確定間隔期

通過參照某國產(chǎn)客機的總體設(shè)計目標(biāo)和維修框架體系，并且考慮到飛機結(jié)構(gòu)各部段的直接維修成本，在保證安全性的前提下，表10給出了某國產(chǎn)客機金屬結(jié)構(gòu)的檢查間隔期對照表。

對于金屬結(jié)構(gòu)，分別得到EDR、ADR，取min{EDR,ADR}為金屬結(jié)構(gòu)等級。根據(jù)相似機型經(jīng)驗、設(shè)計數(shù)據(jù)，等級為1至8，即飛機金屬結(jié)構(gòu)EDR或ADR有8個等級，如表10。

對于非金屬結(jié)構(gòu)，即將AD等級和ED等級進行綜合評級后給出最終非金屬材料等級表，然后參照非金屬材料等級間隔期對照表，才可給出特定非金屬材料的檢查間隔期，如圖7。

表10 金屬結(jié)構(gòu)檢查間隔期

圖7 非金屬結(jié)構(gòu)等級的確定過程

5 實例分析

某國產(chǎn)客機艙門的SSI部件號為52-42-01，組成部分為外蒙皮、盆形件、鉸鏈接頭、框板及連接角片、止動件。外蒙皮內(nèi)外部劃分：蒙皮外側(cè)直接可見，為外蒙皮；蒙皮內(nèi)側(cè)為內(nèi)蒙皮。盆形件內(nèi)外部劃分：盆形件被密封件和內(nèi)、外蒙皮遮擋，不可見，因此劃分為內(nèi)部。鉸鏈接頭內(nèi)外部劃分：其大部分不能直接可見，劃分為內(nèi)部。止動件內(nèi)外部劃分：打開并轉(zhuǎn)動艙門時，止動件可直接看到，因此僅劃分為外部。以52-42-01號SSI內(nèi)部為例，進行分析。

根據(jù)前文要求對VR1、VR2、VR3、SC1、SC2、PR1、EV1、EV2、EV3、EV4進行評級，再根據(jù)式(1)～式(4)，得出EDR，見表11。

(1)

(2)

(3)

EDR=VR+SC+PR+EV

(4)

根據(jù)前文要求對VR1、VR2、VR3、SD1、SD2、RS1、LK1至LK8進行評級，再根據(jù)式(1)、式(5)、式(6)、式(7)，得出ADR，見表12。

(5)

(6)

ADR=VR+SC+PR+EV

(7)

將EDR與ADR四舍五入取整，根據(jù)min{EDR,ADR}查表10，得到檢查間隔期，見表13。

表11 S-4A表格(ED分析、金屬SSI)

表12 S-5A表格(AD分析、金屬SSI)

表13 S-6A表格(間隔期確定、金屬SSI)

6 結(jié)論

本文梳理了空客和波音相似機型的結(jié)構(gòu)ED和AD等級和間隔確定的方法，總結(jié)了相似機型關(guān)于金屬結(jié)構(gòu)和非金屬結(jié)構(gòu)的ED、AD分析方法的優(yōu)缺點。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)國產(chǎn)民機的實際情況給出了確定國產(chǎn)民機的結(jié)構(gòu)ED、AD等級和間隔期的初步思路，并以國產(chǎn)客機艙門為案例進行分析。

[1] 左洪福，蔡景，吳昊，等.航空維修工程學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社.2011 99-107.

[2] 《飛機設(shè)計手冊》總編委會.飛機設(shè)計手冊.第10冊,結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社,2000.

[3] 劉秀麗,董登科,弓云昭.民用飛機結(jié)構(gòu)AD、ED、FD評定與檢查大綱制定[J].結(jié)構(gòu)強度研究,2013(1):1-6.

[4] 楊海濱,左洪福,朱磊.民機結(jié)構(gòu)維修大綱抽樣檢查原則與方法研究[J].飛機設(shè)計,2011,31(6):67-70.

[5] 吳昊.民用飛機規(guī)劃維修技術(shù)理論及應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2009.

[6] 吳昊,左洪福,孫偉.基于改進AHP的民機結(jié)構(gòu)偶然損傷檢查間隔的研究[J].飛機設(shè)計,2008,28(3):57-61.

[7] 柏文華.民用飛機維修大綱制定的關(guān)鍵技術(shù)及方法研究[D].南京航空航天大學(xué),2014.

[8] 柏文華,左洪福,吳靜敏,等.一種民用飛機結(jié)構(gòu)維修大綱的制定方法[J].飛機設(shè)計,2011,31(5):46-50.

[9] AIRBUS,A318/A319/A320/A321 Policy and Procedures Handbook[M].France,2001.

[10]Boeing,7E7 Policy and Procedures Handbook[M],America 2007.

(責(zé)任編輯 唐定國)

Rating and Inspection Interval of Environmental Deterioration(ED) and Accidental Damage (AD) for Civil Aircraft

LIU Xinchao1， LIU xin2， GUAN Tianyang3， ZUO Hongfu1， BAO Junping1

(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, China;2.Commercial Aircraft Corporation of China Ltd., Shanghai 200000, China;3.Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Through studying the similar aircrafts of Boeing and Airbus, this paper proposes the solution of rating environmental deterioration and accidental damage, and gives a feasible method for determining the inspection intervals of structure for a domestic aircraft. This paper takes cabin door as an example to verify the feasibility of the methods. The methods proposed in this paper can be applied to the maintenance analysis of domestic aircraft.

Structure Repair Manual; environmental damage; accidental damage; inspection interval

2017-04-26；

2017-05-27

劉信超(1995—)，男，碩士研究生，主要從事航空器持續(xù)適航技術(shù)與維修理論研究;左洪福(1959—)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事航空器健康管理與維修理論研究。

10.11809/scbgxb2017.08.021

format:LIU Xinchao，LIU xin，GUAN Tianyang,et al.Rating and Inspection Interval of Environmental Deterioration(ED) and Accidental Damage (AD) for Civil Aircraft[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):90-97.

V2-9

A

2096-2304(2017)08-0090-08

本文引用格式：劉信超,劉昕,關(guān)天陽，等.民用飛機環(huán)境與偶然損傷評定及間隔期確定方法[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(8):90-97.