服役环境下的军机金属结构环境损伤评定方法

卿光辉，熊邦，王蔚泽

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

服役环境下的军机金属结构环境损伤评定方法

卿光辉，熊邦，王蔚泽

（中国民航大学航空工程学院，天津300300）

由于军机使用环境的特殊性，其维修大纲制定与民机所考虑的因素有所不同。以民机金属结构环境损伤模型为基础，通过对军机维修标准的研究，分析了影响军机金属结构环境损伤的主要因素，建立了军机金属结构环境损伤模型。提出利用G1法确定模型中各指标权重及引入专家权重对其进行修正的指标评价方法。考虑到服役环境对指标评定的影响，对飞机某部件在3种服役环境下的损伤等级值进行了实例分析，并利用G1-灰色关联系数方法进行了验证。

军机；环境损伤；G1法；灰色关联

军机是执行军事活动的航空器，在保卫国家领土中具有重要的战略意义。环境损伤是由于气候或者环境影响引起的结构强度退化[1]。造成飞机结构腐蚀的因素有很多方面。陈群志[2]根据军机的分布、飞机地面环境的参数、以及金属材料在监测点下腐蚀测量3方面将军机的机场环境划分为4类。根据机场环境和五大战区的分布，可将军机的服役环境划分为3大区域，分别为海洋、内陆和高原服役环境。环境腐蚀使飞机结构的疲劳寿命缩短，军机的腐蚀现象与服役环境有很大关系。为保证飞机持续适航，需要制定结构维修大纲，目前在研究军机环境损伤上还没有建立一套完善的评估体系，因此研究军机环境损伤等级值的确定具有重要意义。

随着航空产业的发展以及国外民用飞机的引进，中国维修人员有了更多的机会接触国外先进的维修思想，对依据MSG-3思想编制的维修文件的理解也更加深入，并相继对民机结构维修大纲的制定进行了研究。孙伟等[3-4]通过建立民机环境损伤评估体系，采用指标权重法来确定环境损伤等级值，该方法是一种保守分析，可满足安全性要求，但没有考虑指标之间的相互影响。王海涛[5]在评定环境损伤等级值时考虑到各个影响因素指标权重的不同，利用模糊数学的原理进行综合评定。对飞机结构环境损伤进行评估往往依赖于专家的工程经验，评估专家的经验对评估结果具有决定性的影响。为了综合考虑每个专家的意见，本文通过建立军机结构环境损伤评价模型和引入专家权重构建了军机金属结构环境损伤评估体系。提出利用定性的G1法确定环境损伤指标权重和专家权重，对军机在上述3种服役环境下的评价指标进行打分，利用定性定量的G1-灰色关联系数法对上述3种环境下的等级值进行排序验证。

1 军机金属结构环境损伤评估体系

在确定金属结构环境损伤等级值时，首先对影响军机结构环境损伤的主要因素进行分析并建立环境损伤评价模型，确定了评价指标量化等级；其次由专家根据相应的工程经验对各指标进行等级评定；最后采用综合评价方法确定损伤总等级。考虑到目前中国军机维修人员制定维修大纲的经验欠缺，军机维修评估可靠性数据较少，不同专家的评估会对结果产生影响，因此引入专家权重修正环境损伤指标权重，使环境损伤指标权重更可靠。

1.1 军机金属结构环境损伤评价模型

在建立军机金属结构环境损伤评价模型的过程中参考民机金属结构环境损伤（ED）模型，其主要考虑了敏感性、接近性、防护性和可能性因素。与民机相比，中国多数军机飞行强度低、停机时间长、腐蚀问题更严重，其中腐蚀敏感性包含对应力腐蚀和其他腐蚀的敏感性，与民机敏感性的影响因素相同，其他指标层的选取在参考国家军用标准[1，6-7]、结合军机服役环境的基础上，与中航工业某军机大型维修厂的专家访谈，对影响军机结构环境损伤的因素进行分析，确定结构环境损伤模型的其他指标因素。

1）可达性因素分析民机ED模型[3-4]中采用的“可见性”指标包含口盖尺寸、眼睛与重要结构项目的距离、设备稠密度。在MSG-3中，设备稠密度主要用于系统部件或区域维修分析，在结构方面主要考虑对操作人员的视觉影响。在军机结构环境损伤中考虑采用“可达性”指标，包括实体可达性和视觉可达性[7]。实体可达性与所要检查部位处的口盖尺寸、接近性程度有关，口盖尺寸主要影响维修人员手动操作，而接近性程度主要和检查人员操作的空间有关；视觉可达性是指在人体视野范围内能实时观察到的场景。可达性指标从距离、空间以及视觉方面更好地阐述了对结构环境损伤评估的影响。

2）防护性因素分析文献[3-4]没有对防护性进行详细分析，而对军机结构环境损伤进行防护性分析时，应考虑金属材料的防护机理。常见的防护措施包括：①材料表面预处理；②材料基体表面喷涂底漆；③材料外表面喷涂面漆。防护性考虑了防护层的经济性和被防护材料之间的相容性[7]，对不同材料采取相对应的防护措施。因此军机环境损伤防护性因素考虑了处理工艺对结构防护性的影响。

3）可能性因素分析文献[3-4]没有考虑温度的影响。但环境温度对于飞机结构的影响包含两方面：①高温，高温和交变载荷同时作用，会发生蠕变和疲劳的相互作用，同时加速零件的腐蚀；②低温，低温环境下材料容易发生冷脆变，使得结构失效[8]。故军机环境损伤中需考虑环境温度的影响。

由于军机与民机的使用环境不同，军机在低空训练及沙漠等环境下飞行时地面的砂石更易进入到飞机及发动机中，或以相应的速度对飞机部件进行冲击，产生磨蚀，在损伤处容易形成应力集中，最后产生疲劳断裂失效[8]。故军机环境损伤中应考虑风沙的影响。

同样，军机周围的辐射环境会对其金属的防护材料产生影响，从而影响材料的防护性。文献[9]指出高原辐射比沿海地区强度大，战场的电磁环境更加复杂。文献[10]指出电磁感应在金属表面产生感应电流，在潮湿环境下易使金属材料发生电化学反应，从而加速腐蚀。故军机环境损伤模型应考虑辐射的影响。

在参考民机金属结构模型的基础上，通过以上分析，建立军机金属结构环境损伤模型，如图1所示。

图1 军机金属结构环境损伤评价模型Fig.1 Environmental damage assessment model for military aircraft metal structure

图1中，目标层A为环境损伤评估等级，要素层B为敏感性、防护性、可达性、可能性，要素层B以下为指标层C。指标评估由专家根据相应的工程经验确定，采用0、1、2三个等级，评级标准参考文献[3-4]。

1.2 专家权重

在对结构损伤进行评估时，由于专家知识的积累、能力大小、经验水平以及对问题的把握程度存在差异，所以不同专家的评估结果会不同，为了使评估结果更可靠，引入专家权重对环境损伤指标权重进行修正。影响专家权重的因素[11]如图2所示。

图2 专家权重的影响因素Fig.2 Factors of experts weighting

2 权重确定及综合评价方法

目前，多指标综合评价方法有定性和定量分析[12]。层次分析法是一种定性分析方法，常常用来确定指标权重。但当评价指标较多时，专家运用层次分析法构造判断矩阵的难度加大，而G1法克服了其缺点，且无需构造判断矩阵，对同层次元素个数没有限制，计算结果简便实用。灰色关联分析是一种定量的分析方法，常常用来对不同评价对象进行定量排序。

2.1 G1法确定指标权重

2.2 G1-灰色关联系数评价方法

G1-灰色关联系数评价方法利用G1法确定的指标权重去修正灰色关联系数中的分辨系数ρ，使得评估结果更合理[14]。使用该方法对3种环境下的部件损伤等级值进行排序，需要确定评价指标体系，设其中有n个评价指标，m个评价对象。计算3种环境下损伤等级值排序，所以n=13，m=3，被评价对象对应的指标值可以用R=（rij）m×n矩阵形式表示，其中rij为不同环境下的各指标等级值。确定理想对象R0=（r01，r02，…，r0n），记r0j理想指标值为2。对指标等级进行极值法处理sij=rij/2，得到新的矩阵S=（sij）m×n。

首先计算分辨系数ρ

其次得出Si的第j个指标与S0的第j个指标的关联系数

其中：Si=（si1，si2，…，sin），S0=（s01，s02，…，s0n）=（1，1，…，1）为参考数列。则关联系数矩阵为

最后求出3种环境下与理想值的关联度为其中：ω=（ωj）n×1为指标层C各个指标综合权重向量。X=（xi）m×1，xi值越大，则该环境下的损伤等级值越接近于理想值，环境对于飞机结构的腐蚀影响越小。

3 实例分析与验证

3.1 实例分析

选取某型飞机水平安定面的中央盒段上壁板作为评价对象，上壁板为金属材料钣金结构，属于重要结构部件。根据图1的军机金属结构环境损伤评估模型，采用G1法编制环境损伤指标权重调查问卷，确定5个专家对调查问卷进行评分。首先利用G1法求得专家权重和环境损伤各指标权重，其次由专家权重对环境损伤各指标权重进行加权修正，最后根据5个专家对环境损伤指标在3种环境下评分，得出该飞机部件在3种环境下的环境损伤等级值。

确定专家权重各影响因素的值：咨询维修专家，对图2中的专家权重各影响因素进行排序，采用G1法求得各影响因素的权重，如表1所示。各专家权重的影响因素评价标准如表2所示，影响因素指标分为5、3、2三个等级。参与本次评价的5个专家的得分情况如表3所示，目前军机环境损伤尚未建立一套完善的评估体系，参与问卷调查的维修专家都是初次参与评价，经验不足，因此把握度的打分较低。

利用表3所得专家影响因素分值与表1影响因素权重进行相乘，分别得到本次参与评价的5个专家总得分，分别为4.082 0，3.340 5，3.911 9，3.170 4，2.340 4。对专家得分进行加权求和，则得到本次参与评估的每个专家权重ω专家=（0.242 3，0.198 3，0.232 2，0.188 2，0.138 9）T。

通过5个专家对环境损伤要素层以及指标层的排序进行分析，利用G1法求得要素层B的权重，考虑专家权重得要素层B的权重ωB=（0.353 8，0.225 0，0.164 9，0.256 3）T，如表4所示。

表1 专家权重的影响因素排序及权重Tab.1 Order and weight of expert weighting factors

表2 专家权重的影响因素评价标准Tab.2 Evaluation standard of expert weighting factors

表3 专家权重的影响因素打分Tab.3 Score of expert weighting factors

同理，考虑专家权重后指标层C的权重为

表4 要素层B的权重Tab.4 Weight of factors in Level B

专家权重后的要素层B和指标层C的权重综合可得指标层C对于目标层A的综合权重为

在3种环境下，由5个专家对环境损伤指标分别评分，并对指标求和平均，得出在3种环境下的指标分值，如表5所示。

表5 在3种环境下各指标分值Tab.5 Index scores under three types of environments

由指标综合权重与表5指标分值相乘得到该部件在3种环境下的损伤等级值，海洋环境下为1.296 7，内陆环境下为1.380 2，高原环境下为1.418 5。

3.2 实例验证

采用G1-灰色关联系数评价模型对以上损伤评估方法的结果进行验证。对表5中的指标等级数据进行无量纲化处理，得到

根据式（1），计算出xi′=2.047 7，可得ρ=0.682 6。

根据式（2）求得关联系数矩阵为

得出该部件在3种环境下的环境损伤等级值，与理想等级值相比进行排序，如表6所示。

由上表可知，实例中部件在3种环境下与理想值的关联度由小到大分别为海洋、内陆、高原，关联度排序越小说明腐蚀越严重。根据G1法计算的3种环境下的等级值大小排序可知部件在海洋地区腐蚀严重，其次是内陆地区，最后是高原地区。关联度排序结果与G1法计算结果具有一致性并符合实际情况，计算结果有利于合理安排维修任务。

表6 环境损伤等级值和关联度排序Tab.6 Environmental damage level and relational order

4 结语

1）建立的军用飞机金属结构环境损伤评估体系，包括层次结构的军用飞机金属结构环境损伤评估模型，并引入了专家权重对各指标权重进行修正。

2）根据G1法编制了金属结构环境损伤问卷调查表，并利用G1法计算了环境损伤影响因素指标权重和专家权重，并以某飞机结构件为例，得出其在3类环境下的损伤等级值。

3）利用G1-灰色关联系数法对某结构件的3种环境下损伤等级值进行排序分析，关联度排序结果与G1法计算结果具有一致性并符合实际情况。

本文提出的军用飞机金属结构环境损伤的评价方法，可为不同服役环境下的飞机结构维修大纲制定提供参考。

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（责任编辑：党亚茹）

Environmental damage assessment for military aircraft metal structure under service

QING Guanghui,XIONG Bang,WANG Weize
（College of Aeronautical Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

The maintenance program compiling of military aircrafts is different from civil aircrafts because of the special working environment of them.On the basis of civil aircraft metal structure environmental damage modeling,the relevant standards for military aircraft are studied.The main factors about the environmental damage of military aircraft metal structure are analyzed thoroughly and the military aircraft metal structural damage assessment model is created.G1 method is used to determine the weight of each index which is modified by the expert weight.By using the above methods,the damage level of a certain part under three kinds of services environments is obtained by taking into account the military aircraft service.Finally,the model which is called G1-Grey relational coefficient is used to verify the method.

military aircraft;environmental damage;G1 method;Grey relation

V267

A

1674－5590（2017）01－0017－05

2016-02-27；

2016-04-13基金项目：航空科学基金项目（20130267001）

卿光辉（1968—），男，湖南新化人，教授，博士，研究方向为复合材料结构力学.