CN105631091A - 一种飞机设备耐久性设计方法及飞机设备耐久性设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机设备耐久性设计方法及飞机设备耐久性设计系统。所述飞机设备耐久性设计方法包括如下步骤：步骤1：确定待设计设备的耐久性指标要求；步骤2：确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个所述耗损性失效机理的敏感应力；步骤3：判断待设计设备中的各个部件的损耗性失效机理种类；步骤4：分别计算各个部件的理论寿命；步骤5：判断各个部件的理论寿命是否满足所述步骤1中的耐久性指标要求。本发明提供了一种飞机设备耐久性设计方法，该飞机设备耐久性设计方法填补了工程研制中的技术空白，同时为后续型号开展机载设备耐久性设计分析工作提供有力依据。

Description

一种飞机设备耐久性设计方法及飞机设备耐久性设计系统

技术领域

本发明涉及航空产品试验技术领域，特别是涉及一种飞机设备耐久性设计方法及飞机设备耐久性设计系统。

背景技术

随着我国航空工业的飞速发展，飞机机载设备的寿命指标要求越来越高，大幅度提高的寿命要求，极大地增加了设备寿命期内耗损型故障机理的复杂性，增多产品的耐久性薄弱环节，给型号机载设备长寿命要求的实现带来巨大的研制难度。以往型号研制中没有开展过耐久性设计分析工作，缺乏相应的耐久性设计分析流程和应用技术。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞机设备耐久性设计方法来克服或至少减轻现有技术的中的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种飞机设备耐久性设计方法，所述飞机设备耐久性设计方法包括如下步骤：步骤1：确定待设计设备的耐久性指标要求；步骤2：确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个所述耗损性失效机理的敏感应力；步骤3：判断待设计设备中的各个部件的损耗性失效机理种类，其中，所述损耗性失效机理种类包括：疲劳损耗性失效机理、磨损耗损性失效机理、老化耗损性失效机理以及腐蚀耗损性失效机理；步骤4：分别计算各个部件的理论寿命；步骤5：判断各个部件的理论寿命是否满足所述步骤1中的耐久性指标要求，若是，则结束；若否，进行下一步；步骤6：进行各个部件的设计改进，并将改进后的待设计设备重新进行步骤1至步骤5，直至所述步骤5中的判断结果为是。

优选地，所述步骤1中的耐久性指标要求包括：飞行时间、飞行起落、工作循环、发动机小时、启动次数、投放次数、发射次数、日历持续时间。

优选地，所述步骤2中的确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个耗损性失效机理的敏感应力的方法具体为：步骤21：将待设计设备分解，制作待设计设备的结构层次图，所述结构层次图由多层约定层次，其中，不可拆分的约定层次为最低约定层次，每层约定层次包括多个约定单元，约定单元为部件；步骤22：分析每个约定单元的载荷形式；步骤23：根据结构最低约定层次的结构形状以及载荷情况，分析结构层次图中的最低约定层次的耗损性故障机理。

优选地，所述步骤4具体包括：疲劳耐久性理论寿命计算、磨损耐久性理论寿命计算、老化耐久性理论寿命计算以及腐蚀耐久性理论寿命计算。

本发明还提供了一种飞机设备耐久性设计系统，所述飞机设备耐久性设计系统包括：指标录入模块，所述指标录入模块用于确定待设计设备的耐久性指标要求；耗损性失效机理分析模块，用于分析待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理；理论寿命计算模块，用于计算各个部件的理论寿命；判断模块，所述判断模块用于判断各个部件的理论寿命是否满足耐久性指标要求。

优选地，所述理论寿命计算模块包括：疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块，所述疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块用于计算疲劳损耗性失效机理理论寿命；磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算磨损耗损性失效机理理论寿命；老化耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述老化耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算老化耗损性失效机理理论寿命；腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算腐蚀耗损性失效机理理论寿命。

本发明提供了一种飞机设备耐久性设计方法，该飞机设备耐久性设计方法填补了工程研制中的技术空白，同时为后续型号开展机载设备耐久性设计分析工作提供有力依据。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的飞机设备耐久性设计方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是根据本发明第一实施例的飞机设备耐久性设计方法的流程示意图。

如图1所示的飞机设备耐久性设计方法包括如下步骤：步骤1：确定待设计设备的耐久性指标要求。

在本实施例中，步骤1中的耐久性指标要求包括：飞行时间、飞行起落、工作循环、发动机小时、启动次数、投放次数、发射次数、日历持续时间。

参见图1，在本实施例中，步骤2：确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个所述耗损性失效机理的敏感应力。

具体地，该步骤具有如下步骤：

步骤21：将待设计设备分解，制作待设计设备的结构层次图，所述结构层次图由多层约定层次，其中，不可拆分的约定层次为最低约定层次，每层约定层次包括多个约定单元，约定单元为部件；

步骤22：分析每个约定单元的载荷形式；

步骤23：根据结构最低约定层次的结构形状以及载荷情况，分析结构层次图中的最低约定层次的耗损性故障机理。

更具体地，结构分解为：

在明确机载设备工作原理、结构组成及工作特性的基础上，进行机载设备的结构层次分解。对于零组件较多的机载设备，要进行结构层次划分，分为初始约定层次、约定层次、最低约定层次等，绘制机载设备结构层次图，确定机理分析的最低约定层次。按照GJB/Z1391-2006中约定层次的定义和方法进行结构层次划分。

为了方便选择，有利的是，增加有编码步骤：为了规范描述，其最低约定层次可采用统一编码来表示，建议用数字001～999表示。

步骤22：载荷分析

根据机载设备的载荷谱或任务剖面，分析确定机载设备全寿命周期内所有可能的工作载荷与环境载荷类型及其作用方式，载荷分析要求全面。

有利的是，可以对步骤22增加编码步骤：载荷类型也可采用统一编码来表示，建议用字母A，B，…，Z表示。

步骤23,：确定机理

在结构分析与载荷分析的基础上，针对每个最低约定层次单元，考虑所有可能的载荷类型，进行一一映射关系研究，分析确定每一种最低约定层次单元所有可能的耗损性故障机理。

有利的是，可以对步骤23增加编码步骤：在上述最低约定层次单元和载荷类型统一编码的基础上，机理编码采用数字001～999和字母A～Z来表示。

有利的是，步骤2中可以增加步骤24：增加机理合并。

合并原则

对会引起同一故障模式的机理进行合并。如：针对同一种最低约定层次单元，其对应不同的载荷类型可能会产生不同的耗损机理，且机理之间会存在相互耦合关系并导致机载设备呈现出的故障模式相同，在这种情况下，则要进行机理的合并，以便于寿命计算模型的选取。机理合并的示例如下：

某作动器机载设备的最低约定层次密封圈，其因工作载荷油温会引起老化机理，因环境载荷温度也会引起老化机理，那么在这种情况下，由于其故障模式相同，均为因老化引起密封圈变形从而导致漏油，那么最终综合确定的机理则为密封圈老化机理，并标注载荷类型为油温和环境温度；

再如某作动器机载设备的最低约定层次为皮碗磨损，其因工作行程会引起皮碗与阀杆间的粘着磨损，因油温和环境温度会引起皮碗自身的材料老化，在这种综合机理作用下，当环境温度或油温过高时，由于橡胶老化，将导致材料拉伸强度极限降低，使橡胶磨损率显著增加，呈现出磨损－老化综合作用机理。

针对具有相对运动的最低约定层次单元，其机理类型多为磨损，在这种情况下，则要进行不同最低约定层次单元的机理合并，并统一为某种机理类型。如：某作动器的最低约定层次分别为阀芯、阀套，这两个最低约定层次单元具有相对运动关系，且机理类型为金属间的磨损，经分析确定这对具有相对运动关系的最低约定层次单元机理类型为磨损。

有利的是，可以对步骤24增加编码步骤：在上述单作用统一编码的基础上，进行机理的综合编码，采用数字001～999和字母A～Z重叠方式来表示。编码示例如下：

某作动器最低约定层次单元密封圈因油温老化机理编码为003D、因环境温度老化机理编码为003E，则其在油温和环境温度综合作用下的老化机理编码为003DE；

某作动器的最低约定层次皮碗因粘着磨损机理编码为004B、因油温和环境温度综合作用下的老化机理编码为004DE，则其磨损－老化综合作用机理编码为004BDE；

某作动器的最低约定层次阀芯因工作行程和频率引起的磨损机理编码为005BC，阀套因工作行程和频率引起的磨损机理编码为006BC，则阀芯－阀套间综合磨损机理编码为005006BC。

明确机载设备耐久性薄弱环节，影响设备薄弱环节的耗损型失效机理，以及每个耗损型失效机理的敏感应力(如：工作应力、环境应力、电应力等，或某些应力的组合)。

考虑到部分最低约定层次单元在机载设备全寿命周期内基本上不会发生耗损性失效机理，因此可不进行定量寿命计算，不需要计算耗损型失效时间的最低约定层次单元的确定原则为：用于固定、限位、密封的金属件；用于包装的不装机件；已通过寿命指标验证的外购件。

根据以上确定原则，明确寿命周期内存在耗损性失效机理，需要计算耗损型失效时间的最低约定层次单元个数；寿命周期内不存在耗损性失效机理，不需要计算耗损型失效时间的最低约定层次单元个数

步骤3：判断待设计设备中的各个部件的损耗性失效机理种类，其中，所述损耗性失效机理种类包括：疲劳损耗性失效机理、磨损耗损性失效机理、老化耗损性失效机理以及腐蚀耗损性失效机理。具体地，通过上述的步骤2可以发现每个部件的损耗性失效机理种类，从而确定各个部件的损耗性失效机理种类。

步骤4：分别计算各个部件的理论寿命；具体地，所述步骤4具体包括：疲劳耐久性理论寿命计算、磨损耐久性理论寿命计算、老化耐久性理论寿命计算以及腐蚀耐久性理论寿命计算。

具体地，疲劳耐久性理论寿命计算具体为：分析方法的选用原则

疲劳是零件材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程。对于机载设备中承受交变载荷的零部件，应结合零件的材料、结构及交变应力的特点，进行耐久性设计分析。基于疲劳特征的耐久性分析方法主要有：

安全寿命设计分析法；

损伤容限设计分析法。

机载设备承制单位应选择疲劳强度理论中的成熟计算方法，进行基于疲劳的耐久性设计分析，具体计算方法参见相关疲劳强度设计手册。

抗疲劳的设计措施

基于疲劳的耐久性设计分析中，常用的抗疲劳设计措施有：

根据设备结构承载特点合理选材，高应力低周疲劳时应选择塑性好的材料，低应力高周疲劳时应选择强度高的材料；

精细设计减少应力集中，如加大应力集中部位的圆角半径，提高表面粗糙度等；

选择合理的机械加工工艺处理措施处理，如采用锻造工艺、时效处理等；

采用表面冷作强化(喷丸、滚压强化、冲击强化、机械超载)、表面热处理强化(表面淬火、渗碳、渗氮等)；

采用破损安全多途径传力结构设计，将不稳定裂纹限制在局部范围内，由剩余结构在后续检查前的缓慢扩展保证结构的安全使用。

磨损耐久性理论寿命计算具体为：

磨损耐久性分析方法

方法实施步骤

基于磨损特征的耐久性分析方法的实施步骤如下：

分析确定磨损关键件

FMECA分析等方法确定磨损关键件。

建立磨损关键件的磨损曲线

磨损曲线反映了磨损量随磨损时间的变化规律。式A.1给出了典型磨损曲线，它由初期磨损阶段Ⅰ、正常磨损阶段Ⅱ和急剧磨损阶段Ⅲ组成，其中W为磨损量，t为磨损时间。当磨损进入第Ⅲ阶段时磨损量急剧增大，磨损寿命终止，即磨损寿命t_W＝Δt_I+Δt_II，与之对应的磨损量W_max即为最大磨损量。通常第Ⅰ阶段所经历的时间Δt_I及磨损量W₀很小，可以忽略不计，即磨损寿命t_W＝Δt_II，第Ⅰ阶段磨损量W₀＝0。在绝大多数无润滑及润滑特性一般的情况，正常磨损阶段的磨损特性可由线性模型描述，因此，磨损方程可由下式给出：

W＝v_wt…………………………………(A.1)

式中，W——磨损量；

t——磨损时间；

v_w——磨损速度，可由试验测定或查阅相关手册计算。

确定容许磨损量

容许磨损量W^*可从使用经验、试验结果、计算分析三方面综合确定，也可通过有限元仿真计算得到。下面简单介绍使用经验方法和有限元仿真方法。

1)使用经验方法

对于飞机损伤零部件，当配合精度属于飞机要求范围时，容许磨损量W^*约为：

W^*＝k×D＝0.008～0.016D………………………(A.2)

式中，D——名义直径；

k——经验系数，k＝0.008～0.016，一般可取k＝0.01。

2)有限元仿真方法

当使用经验方法不适用时，可以通过有限元分析仿真确定容许磨损量W^*。基本步骤是：

针对具体的失效模式确定失效判据，如磨损状态下强度不足或应变过大等；

进行故障模式仿真分析，分别建立不同磨损量下的有限元模型，分析模型在不同磨损量下的应力和应变情况，考核在此磨损量下是否满足故障判据，并据此确定容许磨损量。

确定磨损速度及其变异系数

正常磨损阶段的磨损速度v_w及其变异系数V_v查阅材料手册得到。如果采用了新材料或特殊材料，则可通过磨损试验测定。

计算磨损寿命

磨损安全边界方程可由下式给出：

M_W＝W^*-W＝0………………………………(A.3)

式中，M_W——磨损安全裕量；

W^*——容许磨损量。

当M_W＞0，机构是安全的；M_W≤0，机构发生磨损失效。中值磨损寿命t_W由下式计算给出：

$t_W=\frac{W^{*}}{v_w}\mathrm{...}\left(A.4\right)$

评定安全磨损寿命

可靠度p下的安全磨损寿命t_W,p由下式给出：

$t_{W,p}=\frac{t_W}{1+u_p{V}_v}\mathrm{...}\left(A.5\right)$

式中，V_v——磨损速度的变异系数；

u_p——标准正态分布的p分位值；

p——可靠度，一般取p＝99.9％，此时u_p＝3.090。

方法应用说明

基于磨损特征进行产品的耐久性设计分析时，必须明确给出产品寿命周期内机构的运转情况，包括磨损行程、润滑情况、载荷和环境温度等；

基于磨损特征进行产品的耐久性设计分析时，应重点对磨损关键件进行分析；

磨损量有长度、体积和重量三种表示形式，相应的，磨损速度也有三种不同的表示形式，在进行磨损寿命计算时应根据具体情况确定适合的磨损速度表示形式；

磨损速度可以通过磨损试验测定，也可根据材料的磨损率(单位行程的磨损量)、比磨损率(单位载荷单位行程的磨损量)，结合发生磨损的零部件之间的相对运动速度计算得出。对于粘着磨损，也可根据Archard模型计算磨损速度v_h(单位时间磨损深度)，即：

v_h＝KPv/H…………………………………(A.6)

式中，P：为接触点处的接触应力，v：为滑动速度(单位时间滑动距离)，H：为材料的布氏硬度，K：为磨损系数(取决于磨损条件、摩擦副形式和材料等因素)；

如果零部件的磨损寿命不能满足产品的使用寿命要求，则应考虑改进设计，或通过更换易磨损零部件保证产品在使用寿命期内安全使用。

方法应用示例

某传送铰链用于某剪切装置的送料系统，其功能是按给定剪切长度将待剪切物品送入剪切装置进行剪切，因此，传送机构应具有足够的传送精度。经分析，铰链链轴是传送铰链承载传送力过程中的关键件，由于传送铰链处于无润滑状态工况下长期工作，链板磨损严重而导致强度不足产生过大变形，最终导致传送铰链不能准确将待剪切物品送入剪切装置，并影响最终剪切长度的变化，即传送铰链发生故障。经分析，传送铰链的使用寿命主要取决于链板的磨损寿命，将链板定为磨损关键件。

确定容许磨损量W^*

根据有限元仿真方法，确定链板容许磨损量为W^*＝0.475mm。

确定磨损速度v_w及其变异系数V_v

根据链板磨损试验数据确定磨损速度为v_w＝2.136×10^-3mm/h，变异系数为V_v＝0.037。

估算中值磨损寿命

由公式(A.4)计算链板的中值磨损寿命为：

$t_W=\frac{0.475}{2.136\×{10}^{-3}}=222.4h$

计算安全磨损寿命

由公式(A.5)计算可靠度p＝99.9％下链板的安全磨损寿命为：

$t_{W,p}=\frac{222.4}{1+3.090\×0.037}=199.5h$

结论

如果送料系统的使用寿命小于或等于199.5h，则目前的设计能够满足链板的使用寿命要求；如果送料系统的使用寿命大于199.5h，则应改进设计延长链板的使用寿命，或者通过定时更换链板使之能够在送料系统使用寿命期内安全使用。

老化耐久性理论寿命计算具体为：

基于相似/同类产品自然老化监测信息的耐久性分析方法的实施步骤如下：

收集整理相似/同类产品的自然老化监测信息

相似/同类产品的自然老化监测信息是指相似/同类产品在规定的使用/储存条件下，使用/储存过程中的产品性能变化信息。监测的性能参数包括但不限于外观状态参数(如色差、黄色指数等)、力学性能(如拉伸强度、压缩强度、拉断伸长率、硬度等)、电气性能(如体积电阻率、介电强度等)、光学性能(如透光率、雾度等)，应根据工程经验和相关标准，优先选择能够有效反映材料使用功能(如密封、减震等)并且与老化时间呈现灵敏变化规律的性能参数进行监测；

确定相似/同类产品的自然老化性能变化曲线

根据相似/同类产品的自然老化性能监测数据(t，P)，确定自然老化性能变化曲线，其中t为老化时间，P为监测的性能参数或其函数(以下统称性能参数)。常用的性能变化模型有：

1)指数模型：

P＝P₀exp(Kt^α)……………………………(B.1)

式中，P₀——性能参数初始值；

K——老化反应速率；

α——修正常数，一般取α＝1。当取α＝1，曲线拟合效果较差时，可调整α值以达到较好的曲线拟合效果，α可根据相关系数最大原则确定；

2)线性模型：

P＝P₀+Kt…………………………………(B.2)

3)对数模型：

P＝P₀+Klgt………………………………(B.3)

上述模型中的性能参数初始值P₀和老化反应速率K可以根据相似/同类产品的自然老化性能监测数据拟合得到。

确定产品的老化性能变化曲线

产品的老化性能变化曲线可以在相似/同类产品老化性能变化曲线的基础上建立。产品的性能变化模型采用与相似/同类产品性能变化模型相同的形式，其中性能参数初始值P₀和老化反应速率K根据下面的方法确定：

性能参数初始值P₀：可以查阅材料手册，或直接通过产品主要材料的性能试验测定。

老化反应速率K：根据相似/同类产品的老化反应速率通过折算系数得到，由下式给出：

K＝D·K_S…………………………………(B.4)

式中，K——产品的老化反应速率；

K_S——相似/同类产品的老化反应速率；

D——折算系数。对于相似产品，D取决于两相似产品在结构、性能、设计、材料(特别是耐老化性能)和制造工艺、使用/储存条件(包括载荷条件和环境条件)的相似性，两者的相似程度越高，D应越接近于1；对于同类产品，D取决于不同使用/储存条件对产品老化寿命的影响，使用/储存条件越相近，D应越接近于1。折算系数D可以根据工程经验给出；对于工程经验较少或采用了特殊材料的情况，可以通过老化对比试验测定，基本步骤是：

进行产品老化性能测试，记录产品的性能参数初始值P₀以及相似/同类产品的性能参数初始值P_0S；

进行两相似/同类产品的老化试验，试验条件应尽可能与产品各自的使用/储存条件相同；

试验进行时间t后停止试验，进行产品老化性能测试，记录老化t时间后性能参数P以及相似产品的性能参数P_S；

计算折算系数D。

如果老化性能变化曲线用指数模型表示，则：

$D=\frac{\ln P-{\mathrm{lnP}}_0}{1n_{s}P-{\mathrm{lnP}}_{0S}}\mathrm{...}\left(B.5\right)$

如果老化性能变化曲线用线性模型或对数模型表示，则：

$D=\frac{P-P_0}{P_s-P_{0S}}\mathrm{...}\left(B.6\right)$

如果采用了公式(B.1)给出的指数模型，并且α≠1，则产品老化性能变化模型中的α直接取为相似/同类产品老化性能变化模型的α值。

确定老化性能极限

产品因为老化导致性能不断劣化，当性能劣化到不能完成产品的规定功能时，产品发生老化故障，老化寿命终止，此时所对应的性能值即为老化性能极限P^*。老化性能极限P^*可以根据以下三种方法确定：

1)功能极限方法

根据产品的使用功能要求，确定老化性能极限P^*；

2)模拟试验方法

进行产品(或零件)和试样(根据相关标准制备的标准试样)的老化对比试验，当产品(或零件)出现老化故障时停止试验，测定试样的性能参数，将其作为老化性能极限P^*。试验时可以通过提高温度等加快老化过程，但应保证较高温度下的老化机理与产品使用/储存条件下的老化机理相同。

3)工程经验方法

根据工程经验和相关标准，确定产品的老化性能极限P^*；

计算产品的中值老化寿命

1)如果产品的性能变化模型为指数模型，产品的中值老化寿命t_a为：

$t_a={\left(\frac{{\mathrm{lnP}}^{*}-{\mathrm{lnP}}_0}{K}\right)}^{1/\mathrm{\α}}\mathrm{...}\left(B.7\right)$

2)如果产品的性能变化模型为线性模型，产品的中值老化寿命t_a为：

$t_a=\frac{P^{*}-P_0}{K}\mathrm{...}\left(B.8\right)$

3)如果产品的性能变化模型为对数模型，产品的中值老化寿命t_a为：

$t_a=\exp \left(\frac{P^{*}-P_0}{K}\right)\mathrm{...}\left(B.9\right)$

计算产品的安全老化寿命

产品的安全老化寿命t_a,p可由下式确定：

$t_{a,p}=\frac{t_a}{L_a}\mathrm{...}\left(B.10\right)$

式中：L_a—老化安全系数，依据工程经验确定，一般取L_a＝1.5或2。

方法应用说明

老化过程中的性能参数监测直接关系到产品老化性能变化曲线的辨识，对确定产品老化寿命具有重要影响，必须确定适当的性能参数进行监测。老化监测参数可根据以下原则确定：

监测参数应根据产品的使用/储存条件(包括载荷条件和环境条件)和老化机理分析结果，结合相关标准规定，由订购方和承制方协商确定；

监测参数应能够有效地反映材料使用功能(如密封、减震等)；

监测参数应对老化时间敏感，即监测参数随老化时间的变化规律比较明显；

监测参数还应考虑监测手段是否可实施及其难易程度加以确定。

自然老化速度一般比较缓慢，若监测时间过短，则性能变化不明显，导致性能变化曲线的拟合精度较低，造成老化寿命预测误差较大。一般，监测时间应不少于五年；

鉴于自然老化速度较慢，监测周期可以适当长一些，根据耐老化性能的优劣确定。耐老化性能较好的产品监测周期长一些，较差的监测周期短一些。但是考虑到一年里温度变化较大，为使监测数据可靠，每年的监测次数应不少于2次；

性能变化模型的拟合精度对产品老化寿命的分析精度存在重要影响，可以分别对指数模型、线性模型和对数模型进行拟合，优先选取相关系数较大的模型作为产品的性能变化模型；

如果通过老化对比试验确定相似/同类产品的老化反应速率折算系数，则老化对比试验条件应尽可能与产品各自的使用/储存条件相同。并且对于两产品某些相同的使用/储存条件，对比试验过程中也应保证其一致性。

老化故障判据(老化性能极限)是判断老化故障是否发生的重要依据，直接影响到老化寿命的准确性。应结合产品的使用要求、工程经验和相关标准，由订购方和承制方协商确定，必要时还可通过模拟试验确定或验证；

对于仅存在相似/同类产品加速老化监测信息的情况，可以根据其加速老化监测信息建立相似/同类产品正常应力下的老化性能变化曲线，然后按照B1.1的步骤c)～f)确定产品的老化寿命。

产品简介

某型油封为密封用橡胶制品，所用胶种为丁腈胶，储存时处于装配状态(配用弹簧套在油封上以组合件的形式进行储存)，储存介质为液压油。该型油封存在同类产品的自然老化储存监测数据，并且储存时间长达15年之久，储存室避风、避光、不采暖，同样以组合件的形式进行储存，储存介质为液压油。

为了确定该型油封的老化储存寿命，利用同类产品的自然老化监测数据进行了耐久性分析。鉴于该型油封为其上级产品的关键零件，同时采用基于高温老化监测信息的耐久性设计分析方法进行了分析。最后，根据两种方法的分析结果综合确定了该型油封的老化储存寿命。

产品老化监测参数的选取

油封储存时处于装配状态，储存过程中油封的薄唇始终受着径向扩张力的作用，其内径会逐渐变大并产生永久变形，内径永久变形是对老化时间、温度敏感的性能参数，且该指标易于测定，将其确定为产品的老化监测参数。

基于同类产品的自然老化监测信息的耐久性分析

收集整理同类产品的自然老化监测信息

收集整理同类产品15年的自然老化监测数据(t，ε)，其中t为老化时间，ε为内径永久变形。

确定同类产品的自然老化性能变化曲线

根据工程经验选用指数模型描述自然老化性能变化过程，对收集到的自然老化监测数据(t，ε)进行拟合，得到老化性能变化曲线如下：

1-ε＝0.9484·exp(-0.008218·t^0.5369)…………………(C.1)

相关系数R＝-0.974，表明上式给出的老化性能变化曲线对自然老化监测数据的拟合性很好。

确定产品的老化性能变化曲线

在公式(C.1)的基础上建立产品的性能变化曲线。

1)性能参数初始值P₀：假设老化之前内径永久变形为零，即ε₀＝0，则性能参数初始值P₀＝1-ε₀＝1；

2)老化反应速率K，根据同类产品的老化反应速率通过折算系数得到产品的老化反应速率K：

K＝D·K_S＝1×0.008218＝0.008218……………………(C.2)

式中，K_S——同类产品的老化反应速率，K_S＝0.008218；

D——折算系数，由于自然老化监测产品与该型油封的储存条件相同，取D＝1；

3)修正常数α：产品老化性能变化模型中的α直接取为同类产品老化性能变化模型的α值，即α＝0.5369；

综上所述，产品的性能变化曲线可由下式给出：

1-ε＝exp(-0.008218·t^0.5369)……………………………(C.3)

确定老化性能极限

该型油封在储存过程中由于受机械应力、介质和环境气候的作用，内外唇产生积累永久变形，导致接触应力减小而引起泄漏，丧失其密封性能。根据模拟试验结果得到内径永久变形极限为ε^*＝80％。

计算产品的中值老化寿命,产品的中值老化寿命t_a为：

计算产品的安全老化寿命,产品的安全老化寿命t_a,p为：

$t_{a,p}=\frac{t_a}{L_a}=\frac{18570.5}{2}=9285.2$ (天)……………………………(C.5)

式中：L_a——老化安全系数，取为L_a＝2。

基于腐蚀的耐久性分析方法

腐蚀会导致机载设备结构强度降低，性能下降，缩短设备的使用寿命，因此，处于在腐蚀环境的机载设备耐久性分析必须考虑环境腐蚀的影响。环境腐蚀影响包括储存腐蚀影响和使用环境影响。

基于腐蚀的耐久性分析是确定腐蚀环境下设备的使用寿命。对于主要处于储存状态或使用强度不高的产品，储存腐蚀起主导作用，设备使用寿命主要取决于储存腐蚀；对于使用强度较高的设备，使用环境影响不可忽略，应综合考虑储存腐蚀影响和使用环境影响确定产品使用寿命。

对于有腐蚀类故障特征的机载设备，承制单位应分析设备使用环境的腐蚀影响因素，合理选材，采取合理的防腐蚀设计措施，提高设备的耐腐蚀性。机载设备承制单位应按照结构的防腐蚀设计手册，选择合适的方法进行基于腐蚀的耐久性分析。

步骤5：判断各个部件的理论寿命是否满足所述步骤1中的耐久性指标要求，若是，则结束；若否，进行下一步；步骤6：进行各个部件的设计改进，并将改进后的待设计设备重新进行步骤1至步骤5，直至所述步骤5中的判断结果为是。

本发明还提供了一种飞机设备耐久性设计系统，所述飞机设备耐久性设计系统包括：指标录入模块，所述指标录入模块用于确定待设计设备的耐久性指标要求；耗损性失效机理分析模块，用于分析待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理；理论寿命计算模块，用于计算各个部件的理论寿命；判断模块，所述判断模块用于判断各个部件的理论寿命是否满足耐久性指标要求。

在本实施例中，理论寿命计算模块包括：疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块，所述疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块用于计算疲劳损耗性失效机理理论寿命；磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算磨损耗损性失效机理理论寿命；老化耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述老化耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算老化耗损性失效机理理论寿命；腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算腐蚀耗损性失效机理理论寿命。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的相关装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置仅仅是示意性的，例如，所述模块和单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信临街，可以是电性、机械或其他的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使计算机处理器执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种飞机设备耐久性设计方法，其特征在于，所述飞机设备耐久性设计方法包括如下步骤：

步骤1：确定待设计设备的耐久性指标要求；

步骤2：确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个所述耗损性失效机理的敏感应力；

步骤3：判断待设计设备中的各个部件的损耗性失效机理种类，其中，所述损耗性失效机理种类包括：疲劳损耗性失效机理、磨损耗损性失效机理、老化耗损性失效机理以及腐蚀耗损性失效机理；

步骤4：分别计算各个部件的理论寿命；

步骤5：判断各个部件的理论寿命是否满足所述步骤1中的耐久性指标要求，若是，则结束；若否，进行下一步；

步骤6：进行各个部件的设计改进，并将改进后的待设计设备重新进行步骤1至步骤5，直至所述步骤5中的判断结果为是。

2.如权利要求1所述的飞机设备耐久性设计方法，其特征在于，所述步骤1中的耐久性指标要求包括：飞行时间、飞行起落、工作循环、发动机小时、启动次数、投放次数、发射次数、日历持续时间。

3.如权利要求2所述的飞机设备耐久性设计方法，其特征在于，所述步骤2中的确定待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理以及每个耗损性失效机理的敏感应力的方法具体为：

步骤21：将待设计设备分解，制作待设计设备的结构层次图，所述结构层次图由多层约定层次，其中，不可拆分的约定层次为最低约定层次，每层约定层次包括多个约定单元，约定单元为部件；

步骤22：分析每个约定单元的载荷形式；

步骤23：根据结构最低约定层次的结构形状以及载荷情况，分析结构层次图中的最低约定层次的耗损性故障机理。

4.如权利要求3所述的飞机设备耐久性设计方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：疲劳耐久性理论寿命计算、磨损耐久性理论寿命计算、老化耐久性理论寿命计算以及腐蚀耐久性理论寿命计算。

5.一种飞机设备耐久性设计系统，其特征在于，所述飞机设备耐久性设计系统包括：

指标录入模块，所述指标录入模块用于确定待设计设备的耐久性指标要求；

耗损性失效机理分析模块，用于分析待设计设备在全寿命周期内的耗损性失效机理；

理论寿命计算模块，用于计算各个部件的理论寿命；

判断模块，所述判断模块用于判断各个部件的理论寿命是否满足耐久性指标要求。

6.如权利要求5所述的飞机设备耐久性设计系统，其特征在于，

所述理论寿命计算模块包括：

疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块，所述疲劳损耗性失效机理理论寿命计算模块用于计算疲劳损耗性失效机理理论寿命；

磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述磨损耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算磨损耗损性失效机理理论寿命；

老化耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述老化耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算老化耗损性失效机理理论寿命；

腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块，所述腐蚀耗损性失效机理理论寿命计算模块用于计算腐蚀耗损性失效机理理论寿命。