CN104156507A - 一种用于飞机部件易损性排序的方法 - Google Patents

一种用于飞机部件易损性排序的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于飞机部件易损性排序的方法,首先进行建立飞机三维几何模型;通过设置攻击属性,部件属性和杀伤树产生射击线;利用等效单一易损面积的概念,针对有余度有重叠的复杂飞机模型提出对各部件及全机易损性的定量计算,得到各部件及全机的暴露面积和易损面积;利用修正后的重要度准则进行部件易损性的分析和排序。运用易损性排序的方法,可更加深入探究每个部件易损性与其它部件的相互影响关系。同时,根据得出的重要度排序,可了解需要重点关注部件的设计,并将此作为优先设计的重要依据,有效地为提高飞机生存力提供指导原则,有针对性地将设计任务放在易损性高的部件上,从而达到飞机生存力的高效优化设计。

Description

一种用于飞机部件易损性排序的方法
技术领域
本发明属于航空飞行器易损性减缩设计领域,具体地说,涉及一种用于飞机部件易损性排序的方法。
背景技术
飞机易损性定义为飞机抵抗敌对作战环境的能力。在为飞机方案设计阶段考虑易损性是否满足要求提供理论指导与设计原则时,需要进行不同方案易损性的对比,从而对未来飞机型号的低易损性设计奠定基础,提高飞机的作战生存力。
飞机的易损面积对于比较不同型号飞机的易损性提供了基准,通过它可了解不同飞机易损性的相对大小。通常,对于给定威胁,用单次打击下的易损面积来表示飞机的易损性。即飞机暴露面积上遭受的随机打击的杀伤概率。但是单次打击的飞机易损面积并不是一个可靠的比较不同型号飞机易损性相对大小的标准。其原因在于它不能完全考虑多重易损部件对飞机易损性的影响。因为多重易损部件组由若干部件组成,单独的任何一个该组的部件杀伤不会导致飞机杀伤,只有当该多重易损部件组杀伤时才会引起飞机杀伤。在国防科工委军标出版社出版的《飞机非核生存力通用指南》中提出了等效单一易损面积的概念来解决这一问题,并用于不同型号飞机易损性的比较。航空学报上刊出的《计算飞机等效单一易损面积的新方法》中详细给出了计算有余度飞机模型易损性的过程;专利《一种降低飞行器易损性的方法》中提出了在降低易损性的同时如何考虑重量。但是以上两项并没有给出明确的计算部件易损性重要度的方法。
在飞行器的实际设计过程中,对于重要的部件都会进行遮挡或者余度设计,以保护关键部件,提高飞行器在作战环境中的生存力。
生存力评估中的一项重要工作就是给出飞机部件的易损性重要度。它为有效提高飞机生存力提供指导原则,有针对性地将主要设计任务放在易损性高的部件上,从而达到飞机生存力的高效优化设计。Birnbaum提出的重要度准则沿用至今,用于各系统部件的可靠性计算,并进一步运用于安全,风险领域。这里包括关键重要度,FV重要度,RAW重要度和RRW重要度。在本发明中,对以上可靠性领域中的几个重要度准则进行修正,得到部件易损性重要度的算法。
发明内容
为克服利用单次打击易损面积对比易损性的局限性,本发明提出一种用于飞机部件易损性排序的方法,利用等效单一易损面积的概念,针对有余度有重叠的复杂飞机模型提出了对各部件以及全机易损性的定量计算、分析和排序方法。
本发明首先进行飞机三维几何模型的建立;通过设置攻击属性,部件属性和杀伤树产生射击线;利用等效单一易损面积的概念进行有余度有重叠模型的易损性计算,得到各部件以及全机的暴露面积和易损面积;利用修正后的重要度准则进行部件易损性的分析和排序。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括以下步骤:
步骤1.建立飞机三维模型,确定机体坐标系、基准点,从点到线到面建立模型;还原真实的部件重叠遮挡关系,结构与系统布局,以及气动外形;
步骤2.定义攻击方向,为了模拟战场环境,需模拟攻击飞机的射击线,根据建立的三维模型及所处的坐标系,通过方位角、俯仰角定义攻击方向,即射击线的攻击方向,同时,在飞机模型上生成网格,设置射击线网格的尺寸参数包括网格长w和网格宽h;
步骤3.设置部件属性,对建立的飞机模型各部件进行易损性参数定义,包括材料类型,损耗杀伤和任务放弃杀伤致命性标识,杀伤模式,杀伤概率函数及方向概率函数的修正;
步骤4.设置威胁属性,飞机属性设置后,要对威胁物进行参数设置,威胁模型包括威胁物的形状参数、材料参数、交汇参数,形状参数包括威胁物的形状、特征长、特征宽、特征厚,材料参数包括威胁物的材料强度、弹性模量、体积模量,交汇参数包括威胁物质量、速度、飞机飞行高度,射击方向按照步骤2定义的攻击方向进一步定义及选取,威胁物指非爆穿透物,包括射弹、弹丸非爆威胁;
步骤5.完成威胁属性的设置并进行射击线的模拟处理,具体实施步骤如下:
(1)生成射击线;将一长为w,宽为h的平面网格,平铺在飞机及部件四边形有限元投影模型上,在平面网格的每个单元内随机产生1条射击线,共产生N条射击线,通过由射击线1到射击线N对飞机表面进行扫描来获得易损性计算所需的几何描述数据;
(2)生成射击线预处理数据;射击线预处理数据包括射击线穿过部件的名称、射击线穿过部件的顺序、射击线穿过每个部件的入射点和出射点坐标、射击线穿过部件的个数;
(3)射击线的交汇;计算威胁撞击各种部件材料靶板后的实际弹道及运动状态变化,将每次撞击材料靶板后的碎片运动状态参数进行确定,为下一次撞击提供输入,当威胁的速度或质量衰减为零,或射击线与飞机部件面元无交点时,停止该射击线的几何描述计算;
步骤6.杀伤树设置,在获得射击线数据后,确定飞机的各个部件是否被杀伤,需设置各部件之间的余度或非余度关系,即定义模型中各个系统,结构部件和人员的杀伤关系,包括设置杀伤等级,插入顶事件,逐级添加子系统,设置子系统的ID号,名称和每一层系统间的事件关系:与门、或门、表决门,最后进行最小割集计算通过正确性检验;
步骤7.易损性计算,利用飞机易损性定量计算软件系统,计算飞机和各部件的暴露面积,计算各部件的易损面积,计算全机的等效单一易损面积;对于有余度有重叠的复杂飞机模型,利用基于Monte-Carlo模拟的等效单一易损面积的通用数值计算得到导致飞机杀伤的期望打击数目E(Z),进而求得飞机等效单一易损面积AVE,最后,得到各攻击方向各杀伤等级下进行射击线穿过的部件及全机的几何描述数据;显示结果分别为:部件代码Code,威胁打击部件时,部件杀伤概率部件易损面积部件暴露面积威胁打击飞机时,部件杀伤概率威胁打击飞机时,飞机的杀伤概率PK/H,飞机易损面积AV,飞机暴露面积AP
步骤8.易损性重要度计算,通过对可靠性领域中的五个重要度准则进行修正,得到部件易损性重要度的算法,计算所需数据均可由上述步骤7易损性计算得出,最后进行各部件易损性的分析和对比,给出不同准则下部件易损性的排序。
有益效果
本发明提出的一种用于飞机部件易损性排序的方法,首先进行建立飞机三维几何模型;通过设置攻击属性,部件属性和杀伤树产生射击线;利用等效单一易损面积的概念,针对有余度有重叠的复杂飞机模型提出对各部件以及全机易损性的定量计算,得到各部件以及全机的暴露面积和易损面积;利用修正后的重要度准则进行部件易损性的分析和排序。运用本发明列出的比较部件之间易损性的方法,可更加深入探究到每个部件易损性与其它部件的相互影响关系。同时,根据得出的重要度排序,可清楚地了解需要重点关注哪些部件的设计,并将此作为优先设计的重要依据,有效地为提高飞机生存力提供指导原则,有针对性地将主要设计任务放在易损性高的部件上,从而达到飞机生存力的高效优化设计。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于飞机部件易损性排序的方法作进一步详细说明。
图1为本发明用于飞机部件易损性排序的方法流程图。
图2为本发明设置攻击方向定义示意图。
图3为本发明射击线模拟原理流程图。
图4为本发明射击线在飞机内部运动示意图。
图5为本发明模型简化后的杀伤树示意图。
图6为本发明Monte-Carlo模拟流程图。
图7为本发明平面打击模型。
具体实施方式
本实施例是一种用于飞机部件易损性排序的方法。
参阅图1~图7,本实施例以某型飞行器为例,应用飞机部件易损性排序的方法实施。具体实施过程包括以下步骤:
第一步,建立飞机三维模型,利用CATIA三维建模软件,参照飞机设计图纸的尺寸,各部件的布置形式及遮挡关系建立1:1模型;首先建立机体坐标系,基准点,然后从点到线到面建立模型,包括气动外形:机头、机翼、尾翼、机身;内部结构布置:隔框、长桁、肋;各系统:燃油、液压、座舱、起落架、动力、航电飞行控制系统。
第二步,定义攻击方向,本实施例定义了六个攻击方向,即分别射向前部、尾部、左部、右部、顶部、底部,设置参数如表1;攻击方向的定义中,给出的射击线OP可由威胁攻击方向相对于飞机总体坐标系的方位角A和俯仰角E来表示;首先将攻击方向OP向XOY平面投影为OQ,方位角A定义为Y轴按图示方向转到OQ所经过的角度[0°~360°];俯仰角E定义为OQ转到OP所经过的角度[-90°~+90°],向上为正,向下为负,如附图2所示。
表1 攻击方向定义
第三步,设置部件属性,进行致命性部件的辨识与建模;对导入的飞机模型各部件进行易损性参数定义,包括材料类型,损耗杀伤和任务放弃杀伤致命性标识,杀伤模式:穿透、引燃、引爆,以及杀伤概率函数及方向概率函数的修正;本实施例飞机共分为83个部件,其中,内部系统包括:液压系统、动力系统、武器系统、燃油系统、起落架系统、雷达系统、控制系统、驾驶舱、环境控制系统、飞行控制系统、电源系统及其它共69个部件;结构框架包括:机身结构、机翼结构、尾翼结构、鸭翼结构共7个部件;气动外形包括:机身段、机翼段、尾翼段、鸭翼段,共7个部件。
第四步,设置威胁属性,包括威胁物的形状参数、材料参数、交汇参数;各参数设置如表2。
表2 威胁物参数设置
形状 球形
特征长(mm) 10
特征宽(mm) 10
特征厚(mm) 10
材料强度(Pa) 300000
材料弹性模量(Pa) 2×1010
材料体积模量(Pa) 2×1010
威胁物质量(g) 6
威胁物速度(m/s) 1500
飞机飞行高度(m) 5000
第五步,生成射击线,产生射击线预处理数据,本实例中在六个方向上产生的射击线击中飞机的共1440条,每个方向上的击中数目如表3所示。
表3 射击线击中情况
方向编号 01 02 03 04 05 06
射击线击中数目 145 39 145 39 536 536
每条射击线在模拟穿透时利用美国JTCG/ME方程进行计算威胁撞击各种材料靶板后的实际弹道及运动状态变化,包括如何确定穿透靶板后的变形模式质量损失、威胁粉碎后的质量损失、威胁保持完整性的判据;每次撞击材料板后的碎片运动状态参数的确定均是为下一次撞击提供输入;射击线预处理数据包括:射击线穿过部件的名称、射击线穿过部件的顺序、射击线穿过每个部件的入射点和出射点坐标、射击线穿过部件的个数;表4给出了从飞机左侧打击的第5条射击线的预处理数据,5号射击线共穿过4个部件,模拟过程显示威胁在飞机内部运动的情况。
表4 射击线预处理数据
第六步,杀伤树设置,在确定飞机的致命性部件与非致命性部件之后,通常,可利用杀伤树来表示致命性部件杀伤与目标杀伤的逻辑关系,在表示方法中,逻辑与门AND、逻辑或门OR、表决门的大量使用,具有直观的特点,定义模型中各个系统,结构部件和人员的杀伤关系;本实例中设置杀伤等级为A级,插入顶事件整机A级杀伤,第二级子系统有武器、燃油、液压、动力、飞控、环控、座舱、电源系统、飞机结构共9个子系统,之后依次逐级添加子系统,设置或在已有项目中选择子系统的ID,名称和每一层系统间的事件关系:与门、或门、表决门,最后进行最小割集计算通过正确性检验。
第七步,易损性计算,将飞机模型简化为六个部件,其中,飞行员和武器舱为非余度致命性部件,左右进气道和左右尾翼结构分别是互为余度的致命性部件,并且飞机受到来自左边的威胁打击时,左右进气道与武器舱、左右尾翼结构都有相互重叠的部分;首先进行部件易损性指标的计算,
1.计算各部件的暴露面积,部件或部件间的重叠区域的暴露面积计算公式为
A p i ( A p ) = Σ j = 1 W w × h
式中,W为部件或部件间的重叠区域表面被射击线击中的个数;
2.计算各部件的易损面积,部件或重叠区域每个部件的易损面积计算公式为
A v i = Σ j = 1 W P k / h ij × w × h
代表部件i在射击线j打击下的杀伤概率,与威胁及部件本身的杀伤特性有关;应根据部件的杀伤模式,如穿透杀伤、引燃杀伤或引爆杀伤,选择合适的概率计算公式;在本实例中,选取穿透杀伤模式,对于部件在给定单枚碎片打击下的穿透杀伤概率可以利用下面经验公式来计算
P k / h ij = 0 E b ≤ 4.5 1 + 2.65 e - 0.34 E b - 2.96 e - 0.14 E b , E b > 4.5
上式中,Eb为单位部件面元厚度上所接受的比动能(kg·m/cm2/mm)
E b = m f v f f 2 2 Sh = m f 1 / 3 v f 2 2 φh = m f 1 / 3 v f 2 2 φδ cos θ
上式中,mf为碎片的质量,vf为碎片的打击速度,S为碎片与靶板的期望接触面积,且 为碎片形状系数,h为面元击穿情况下的侵彻厚度,h=δ/cosθ,δ为面元实际厚度,θ为碎片的打击方向与面元法线的夹角;
在该方向上,六个部件的易损性指标如表5所示。
表5各部件易损性数据
3.计算全机的等效单一易损面积,对于有余度有重叠的复杂飞机模型,本实施例利用基于Monte-Carlo模拟的一种等效单一易损面积的通用数值计算方法,方法流程见Monte-Carlo模拟流程图;以下详细介绍流程图的有关说明;
(1)建立平面打击分析模型及参考坐标系
图7显示了‘平面打击模型’,其中上面部分为n个‘中间状态’,下面部分为‘杀伤状态’;设h、w为模型的高度与宽度,h0为杀伤状态易损面积所对应的区域高度,h1为中间状态易损面积所对应的区域高度,AVi、wi分别为第i个中间状态的易损面积及对应的区域宽度,AV0为杀伤状态所对应的易损面积;
为了进行Monte-Carlo模拟,需要在矩形OABC内产生二维均匀分布的随机威胁打击点,为此,建立坐标系XOY;坐标系原点、坐标轴方向的确定依处理问题的方便而定,本实施例采用图7所示的坐标系;
(2)输入Monte-Carlo模拟次数N0,设定初始值已模拟次数p=1,z=0;
(3)随机产生一个威胁打击点(x0,y0),并计入数组A,z=z+1;
(4)部件杀伤判据
数组A中记录着每次Monte-Carlo模拟中随机产生的威胁打击点;依据平面打击模型,每次威胁打击点位置(x0,y0)落在哪个部分,该部分所对应的飞机存在状态就会产生,与之相关的部件就会被杀伤;因此,只要知道每个状态事件是否发生,就可确定与之相关的部件是否被杀伤;杀伤状态事件发生的判据为:(x0,y0)满足
0<x0<w
0<y0<h0
第i个中间状态(对应的面积为AVi)事件发生的判据为:(x0,y0)满足
&Sigma; r = 0 i - 1 w r < x 0 < &Sigma; p = 0 i w p
其中w0=0,且
h0<y0<h0+h1
当确定每个部件的存在状态之后,飞机的存在状态可根据杀伤树来确定。
(5)若打击点造成飞机杀伤,则num(z)累加,它表示在N0次Monte-Carlo随机模拟中,打击次数z引起飞机杀伤的次数;接着判断模拟次数是否达到N0,若已达到则终止模拟,反之,数组清零,模拟次数p=p+1,返回步骤(3);
(6)若没有造成飞机杀伤,则返回步骤(3),重新生成新的威胁点;
(7)计算等效单一易损面积;
图6的分析模型中,飞机或会被威胁打击一次即被杀伤,或遭受2次打击才被杀伤,或遭受z次打击后被杀伤;设E(Z)为导致飞机杀伤的期望打击数目,
E ( Z ) = 1 &times; P ( Z = 1 ) + 2 &times; P ( Z = 2 ) + 3 &times; P ( Z = 3 ) + &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; = &Sigma; z = 1 + &infin; zP ( Z = z )
当模拟次数N0足够大时,便可由下式近似确定P(Z=z)
P(Z=z)≈num(z)/N0
从而
E ( Z ) = &Sigma; z = 1 + &infin; z &times; P ( Z = z ) &ap; &Sigma; z = 1 + &infin; z &times; num ( z ) / N 0
A VE = A V / E ( Z ) &ap; A V / &Sigma; z = 1 + &infin; z &times; num ( z ) / N 0
在本实施例中,全机的等效单一易损面积计算得AVE=3.992088m2,在该打击方向上的暴露面积为AP=36.250000m2
第八步,部件易损性分析;
1.为了计算各部件易损性的重要度,本实施例对可靠性领域中的五个重要度准则分别进行了修正;
(1)Birnbaum重要度是指只有第i个部件由正常状态转为杀伤状态时顶事件发生概率的变化,其公式修正如下:
VI i B = &PartialD; V S &PartialD; V i = V S ( V i - 1 ) - V S ( V i = 0 )
在计算VS时要用到之前得到的等效单一易损面积AVE来描述飞机的易损性
V S = P K / H E = A VE / A P
同样的,在计算Vi时,使用来描述部件的易损性
V i = P k / H i = A v i / A P = A p i P k / h i / A P
在易损性减缩领域,通过对部件的设计,形状和布局来有效地降低以达到提高飞机生存力的目的;
(2)关键重要度是指部件i杀伤概率的变化率与它引起顶事件发生概率的变化率之比,其公式修正如下:
VI i C = VI i B S i S S = [ V S ( V i = 1 ) - V S ( V i = 0 ) ] S i S S
其中, S i = 1 - V i = 1 - P k / H i , S S = 1 - V S = 1 - P K / H E ;
(3)FV重要度公式修正如下:
VI i FV = V S - V S ( V i = 0 ) V S
(4)RRW重要度公式修正如下:
VI i RRW = V S V S ( V i = 0 )
(5)RAW重要度公式修正如下:
VI i RAW = V S ( V i = 1 ) V S
2.在上述修正公式中反复使用VS和Vi两项数据,而在有重叠的飞机模型中,给定威胁方向上,一个部件的易损性降低将会导致它所遮挡的部件的易损性随之降低,反之亦然;在重要度的计算过程中,这种现象被称为链式反应;因此,在计算重叠区域中某部件的VS(Vi=1)和VS(Vi=0)时,被此部件遮挡的部件易损性也会相应地发生变化;即当Vi=1,也就是时,被遮挡部件的易损性将增大,反之则降低;在实际的易损性计算中,根据给定的穿透方程JTCG/ME进行射击线穿透的模拟,来获得各部件的杀伤概率;下面给出左进气道杀伤概率增大到以及减小到时,被其遮挡的武器舱和右进气道的杀伤概率变化;
表6 链式反应影响下的杀伤概率
至此,可得到SS=0.889873以及所有状态下的VS(Vi=1)和VS(Vi=0)的值,结果如表7所示;
表7 重叠余度飞机模型部件参数
基于以上数据,结合上述重要度公式,表8给出遵循不同准则下的重要度计算及排序;
表8 重叠余度飞机模型重要度计算
从表中可以看出,武器舱和飞行员的重要度最高,需要在飞机前期设计过程中给予特别的关注,从而提高飞行器的生存力指标。

Claims (1)

1.一种用于飞机部件易损性排序的方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1.建立飞机三维模型,确定机体坐标系、基准点,从点到线到面建立模型;还原真实的部件重叠遮挡关系,结构与系统布局,以及气动外形;
步骤2.定义攻击方向,为了模拟战场环境,需模拟攻击飞机的射击线,根据建立的三维模型及所处的坐标系,通过方位角、俯仰角定义攻击方向,即射击线的攻击方向,同时,在飞机模型上生成网格,设置射击线网格的尺寸参数包括网格长w和网格宽h;
步骤3.设置部件属性,对建立的飞机模型各部件进行易损性参数定义,包括材料类型,损耗杀伤和任务放弃杀伤致命性标识,杀伤模式,杀伤概率函数及方向概率函数的修正;
步骤4.设置威胁属性,飞机属性设置后,要对威胁物进行参数设置,威胁模型包括威胁物的形状参数、材料参数、交汇参数,形状参数包括威胁物的形状、特征长、特征宽、特征厚,材料参数包括威胁物的材料强度、弹性模量、体积模量,交汇参数包括威胁物质量、速度、飞机飞行高度,射击方向按照步骤2定义的攻击方向进一步定义及选取,威胁物指非爆穿透物,包括射弹、弹丸非爆威胁;
步骤5.完成威胁属性的设置并进行射击线的模拟处理,具体实施步骤如下:
(1)生成射击线;将一长为w,宽为h的平面网格,平铺在飞机及部件四边形有限元投影模型上,在平面网格的每个单元内随机产生1条射击线,共产生N条射击线,通过由射击线1到射击线N对飞机表面进行扫描来获得易损性计算所需的几何描述数据;
(2)生成射击线预处理数据;射击线预处理数据包括射击线穿过部件的名称、射击线穿过部件的顺序、射击线穿过每个部件的入射点和出射点坐标、射击线穿过部件的个数;
(3)射击线的交汇;计算威胁撞击各种部件材料靶板后的实际弹道及运动状态变化,将每次撞击材料靶板后的碎片运动状态参数进行确定,为下一次撞击提供输入,当威胁的速度或质量衰减为零,或射击线与飞机部件面元无交点时,停止该射击线的几何描述计算;
步骤6.杀伤树设置,在获得射击线数据后,确定飞机的各个部件是否被杀伤,需设置各部件之间的余度或非余度关系,即定义模型中各个系统,结构部件和人员的杀伤关系,包括设置杀伤等级,插入顶事件,逐级添加子系统,设置子系统的ID号,名称和每一层系统间的事件关系:与门、或门、表决门,最后进行最小割集计算通过正确性检验;
步骤7.易损性计算,利用飞机易损性定量计算软件系统,计算飞机和各部件的暴露面积,计算各部件的易损面积,计算全机的等效单一易损面积;对于有余度有重叠的复杂飞机模型,利用基于Monte-Carlo模拟的等效单一易损面积的通用数值计算得到导致飞机杀伤的期望打击数目E(Z),进而求得飞机等效单一易损面积AVE,最后,得到各攻击方向各杀伤等级下进行射击线穿过的部件及全机的几何描述数据;显示结果分别为:部件代码Code,威胁打击部件时,部件杀伤概率部件易损面积部件暴露面积威胁打击飞机时,部件杀伤概率威胁打击飞机时,飞机的杀伤概率PK/H,飞机易损面积AV,飞机暴露面积AP
步骤8.易损性重要度计算,通过对可靠性领域中的五个重要度准则进行修正,得到部件易损性重要度的算法,计算所需数据均可由上述步骤7易损性计算得出,最后进行各部件易损性的分析和对比,给出不同准则下部件易损性的排序。
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