民用飞机襟翼下沉铰链机构维护成本分析研究

2022-10-25冯成慧王乾平刘育斌唐家强刘佳奇

航空工程进展 2022年5期

冯成慧，王乾平，刘育斌，唐家强，刘佳奇

（1.航空工业第一飞机设计研究院结构设计研究所，西安 710089）（2.西北工业大学航空学院，西安 710072）

0 引言

民用飞机襟翼下沉铰链机构由支臂双耳、摇臂单耳和销轴等结构组成，可实现襟翼的运动偏转功能，并担负襟翼表面气动载荷传递到机体结构的任务。依据CCAR-25-R4，该机构属于民用飞机主要结构件（Principal Structural Element，简称PSE），在维护结构中铰链机构也属于重要维护项目（Structure Significant Item，简称SSI）。通常，直接维护成本（DMC）在飞机直接运营成本所占比例达10%～20%，这部分成本可控裕度较大，具有很大的压缩空间。因此研究DMC的构成要素和预计方法对成本的分析与控制具有重要意义。

近年来，国内外研究者围绕飞机维护成本的预计开展了大量研究，提出了许多成本预计方法和模型。C.Sriram等提出了维修计划的决策公式和解决问题的启发式方法，通过合理安排飞机维修计划，最大限度地减少维护成本和将飞机重新分配到航段期间产生的成本，可用于中型航空公司降低维护成本；M.Fioriti等提出了一种民用飞机维护费用的估算方法，针对每个飞机部件的维护成本影响因素存在差异的情况，通过对子系统级别的维修成本进行评估，来量化每个飞机部件对总维修成本的有效影响，实现更精确的维护成本预计，其预计结果与国际航空运输协会提供的参考值具有良好的一致性；M.Lee等采用AEA（Association of European Airlines）方法对客机的营运成本进行了系统分析，对维护成本等要素进行了评估，同时以香港国际机场为背景，考虑了多个实际的飞行情景，确定了成本效益最佳的机型；J.Long等提出了一种基于无维护运行期理念以可靠性为中心的维护策略优化方法，可在满足预定可靠性要求的情况下实现维护成本最小化，并通过一个基于在线可更换单元的实例，验证了所提出的维护策略优化方法；Cai J等根据MSG-3分析法，考虑门槛值和重复间隔提出了一种成本预测方法，用于优化检查等级、门槛值和重复检查间隔，同时通过该方法建立了飞机结构的最佳检查模型，在满足预定可靠性要求的情况下实现了维护成本最小化；吴静敏等针对DMC的预计方法精度较低、存在需要大量专家知识的问题，提出了一种基于案例推理（Case-based Reasoning，简称CBR）的DMC估计方法，并通过案例验证了该方法预计精度比其他方法提高了10%以上；Wang H W等基于模糊支持向量机提出了一种预计方法，实现了民用飞机设计阶段动态矩阵的定量预测，同时阐述了所提DMC预计方法的分析与建模过程，并将提出的DMC预测模型应用于新研制的飞机进行验证；刘余等基于DMC预计模型提出了结构修理恢复成本的计算方法，同时通过前中机身蒙皮壁板非计划维修的案例验证所提方法的有效性。然而，现有的DMC预计方法多是针对整机或者飞机系统部件在服役期内的维护成本进行预计，对飞机机体结构的维护成本预计方法的研究并不充分。同时，现有的DMC预计方法通常没有考虑非计划维护任务所产生的维护成本，实际上这部分费用在飞机实际运营过程中是不能忽略的。

针对以上问题，根据民用飞机襟翼下沉铰链机构的设计特点，本文以损伤容限分析结果为基础数据，基于MSG-3分析法提出一种民用飞机下沉铰链机构维护成本预计方法。该方法通过制定MSG-3分析的等级对照标准，量化各项评定指标的模糊性，建立非计划维护的DMC模型，预计对应任务所产生的维护成本；通过具体机型襟翼下沉铰链机构的维护成本对所提方法的可行性和有效性进行验证。

1 维护成本分析方法

1.1 基于量化指标的MSG-3分析法

MSG-3分析法是在工程实践中常用的方法，是针对维护工作的分析逻辑法，其分析结果是为系统/分系统指定具体的维护任务。对于飞机机体结构，MSG-3中的结构逻辑分析法能做到更直接地评定结构的恶化程度，该分析法根据结构项目及持续性适航的重要性将结构分为SSI和一般结构项目。根据MSG-3结构逻辑分析，SSI结构维护任务的来源包括环境退化（Environmental Deterioration，简称ED）、偶然损伤（Accidental Damage，简称AD）、腐蚀预防和控制（Corrosion Prevention and Control Program，简称CPCP）。此外，针对损伤容限项目由损伤容限分析（Damage Tolerance Analysis，简称DTA）对结构进行疲劳损伤（Fatigue Damage，简称FD）分析，确定具体的维护任务。

确定ED和AD的检查等级及检查间隔需要根据维护任务的驱动因素，评估环境退化率（Environmental Deterioration Rating，简称EDR）和偶然损伤率（Accidental Damage Rating，简称ADR），同时通过ED分析考虑CPCP的任务需求。EDR包含恶劣环境暴露等级、材料的防护等级、腐蚀的敏感度等级和可检度等级的综合评估；ADR包含偶然损伤可能性等级、对损伤扩展的敏感等级、剩余强度等级和可见性等级的综合评估。在制定维护任务的过程中，针对上述评估项目会受到设计构型、裂纹可检度和环境等因素模糊性干扰的问题，为保证分析过程的系统化和一致性，本文通过制定相应的评估等级标准来量化各因素对维护任务的影响。具体的量化标准如表1所示，EDR和ADR等于各项评定等级之和，各项评定等级取值均为0/1/2。

表1 评定等级对照标准Table 1 Comparison standard of rating

此外，FD是在交变载荷的作用下产生裂纹并持续扩展的结果，同时也受到飞机使用时间的影响，因此确定FD的维护任务需要基于裂纹扩展试验的结果进行分析，并满足CCAR25部对于疲劳和损伤容限评估的要求。可见，根据MSG-3进行FD分析与结构的DTA是一个统一的过程，可按照MSG-3的分析逻辑和流程，结合DTA的结果，制订关于FD的维护任务和要求。

民用飞机襟翼下沉铰链机构属于SSI项目，结构性能的退化具有时间延迟的特征，属于损伤容限项目，其逻辑分析决断过程如图1所示。

图1 MSG-3分析逻辑决断图Fig.1 Logic decision diagram of MSG-3 analysis

1.2 基于MSG-3的DMC预计模型

分析MSG-3中维护任务的来源和性质发现，ED和FD分析所确定的维护任务是周期性的，而AD是离散性事件，经AD分析所确定的维护任务检查时间并不固定，因此需要建立适用于计划维护和非计划维护的DMC预计模型。相对传统的预计方法，基于MSG-3的DMC预计模型避免了只考虑计划维护产生的费用导致与实际运营偏差较大的问题，通过建立适用性不同的DMC预计模型，考虑了飞机结构检查产生的全部费用。

（1）计划维修

机体结构的计划维修任务一般来源于FD和ED，其门槛值、检查间隔决定了在飞机服役期内的检查频次，检查方法决定了人工成本和材料费用。基于飞机结构计划维护DMC的构成要素和影响因素，建立结构计划维护项目的DMC预计模型：

式中：F为频次矩阵；Q为数量矩阵；H为人工成本矩阵；M为材料成本矩阵。

式（1）中的各矩阵由下列公式求解：

式中：i为任务序号；n为任务数量；N为每个任务在服役期间的任务次数；L为每个任务对应结构的生命周期；N为每个任务涉及的项目在飞机上的安装数量；R为人工工时费率；T为每个任务的接近时间；T为维修时间；C为材料成本。

（2）非计划维修

相对于计划维护任务，非计划维护任务呈现出明显的离散性，缺少固定的门槛值和检查间隔，导致非计划维护成本难以预计。分析非计划维护的触发条件发现，只有出现偶然事件时，才会执行非计划维护任务。同时，在不同机体部位出现偶然事件，所执行的非计划维护任务是不同的，例如：当发动机发生鸟击时，并不需要执行检查雷达罩的维护任务。因此，可以通过大数据统计偶然事件的发生概率以及偶然事件对不同机体结构的影响程度，计算在服役期内的维护频次，从而实现非计划维护成本的预计。

为解决飞机结构非计划维护成本预计困难的问题，在计划维护模型的基础上引入概率系数矩阵、改进维护频次的计算方法，用以衡量在飞机服役期内每飞行小时的平均非计划维护频次。以此建立非计划维护项目的DMC预计模型：

式中：K为概率系数矩阵；F为频次矩阵；Q为数量矩阵；H为人工成本矩阵；M为材料成本矩阵。

式（6）中的各矩阵由下列公式求解：

式中：q为偶然事件对所研究对象的影响程度；P为每个偶然事件的发生概率；U为飞机在服役期间飞行循环与飞行小时的比值。

1.3 DMC预计模型的数据流

基于MSG-3的计划维护DMC预计模型的数据传递过程如图2所示，非计划维护DMC预计模型的数据传递过程如图3所示。

图2 计划维护DMC预计模型数据流Fig.2 Data flow of scheduled maintenance DMC model

图3 非计划维护DMC预计模型数据流Fig.3 Data flow of unscheduled maintenance DMC model

计划维护DMC预计模型的主要输入为MSG-3中的FD分析和ED分析、结构设计参数。该模型通过门槛值、检查间隔和飞机利用率计算在服役期内的维护频次，并根据检查方法开展维护任务分析（Maintenance Task Analysis，简称MTA），计算当前市场情况下产生的材料费（可没有）和工时费；根据各输入参数，采用式（1）计算计划维护的DMC。

相对计划维护，非计划维护DMC预计模型输入较多，主要为偶然事件统计概率、AD分析和结构设计参数。其中，概率系数矩阵直接由偶然事件对部件的影响程度确定，在服役期内的维护频次根据偶然事件的发生概率和飞行循环与飞行小时的比值进行计算，其余参数计算过程与计划维护一致。

2 襟翼下沉铰链机构维护成本分析流程

本文预计方法包括损伤容限分析、MSG-3分析和维护成本预计3个部分，如图4所示。首先，根据结构几何参数和材料属性进行DTA，为后续分析提供裂纹扩展数据和检查维护要求。然后，基于DTA提供的裂纹扩展寿命和裂纹扩展路径开展MSG-3分析，通过疲劳损伤分析、环境退化分析和偶然损伤分析制定满足DTA门槛值要求和检查间隔要求的维护方案，同时由MTA报告将门槛值、检查间隔和维护时间等数据输入到DMC预计模型。最后，考虑在市场情况下的人工成本和材料费用，根据维护任务的不同应用DMC预计模型实现机构的维护成本预计。

图4 襟翼下沉铰链机构维护成本分析流程Fig.4 Maintenance cost analysis process of flap sinking hinge mechanism

3 案例分析

根据损伤容限分析结果，通过具体机型襟翼下沉铰链机构在服役期内的维护成本预计，验证所提方法的可行性和有效性。具体机型的襟翼下沉铰链机构如图5所示，由支臂双耳、摇臂单耳和销轴结构组成。当前下沉铰链的轴承一般选用自润滑轴承，本文不对其维护成本进行讨论。摇臂单耳结构为铝合金，耳片材料采用7050-T7451；支臂双耳结构为钛合金，耳片材料采用Ti-6Al-4V；销轴结构采用PH13-8Mo。

图5 襟翼下沉铰链机构Fig.5 Flap sinking hinge mechanism

3.1 损伤容限结果

基于襟翼下沉铰链机构的结构参数和材料属性，通过Abaqus联合Franc3D的损伤容限仿真分析，得到襟翼下沉铰链机构各结构的裂纹扩展寿命，如图6所示，其中FC为飞行循环数。

图6 各结构的裂纹扩展寿命Fig.6 Crack growth life of each structure

支臂双耳裂纹扩展寿命为3 811 709 FC，摇臂单耳裂纹扩展寿命为4 528 327 FC，销轴结构裂纹扩展寿命为1 168 804 FC。为保证机体结构安全，在满足结构安全系数为2的情况下，确定各结构检查的门槛值和检查间隔要求，如表2所示。

表2 门槛值和检查间隔要求Table 2 Threshold and interval requirements

3.2 襟翼下沉铰链机构的MSG-3分析

表2中给出了门槛值和检查间隔的安全限制边界，经MSG-3分析确定的门槛值和检查间隔都不能超过该限制。根据1.2节阐述的MSG-3分析法，确定襟翼下沉铰链机构FD、ED和AD的维护任务具体要求。

基于各结构的裂纹扩展寿命，结合该机型的C检4 800 FC、D检24 000 FC，确定FD检查的门槛值为D检，检查间隔为3C检（14 400 FC）。裂纹扩展路径如图7所示。

图7 裂纹扩展路径Fig.7 Crack growth path

从图7可以看出：裂纹（在图7中用红色进行标注）会被结构遮挡导致无法直接通过目视观察到。为确保裂纹在规定的剩余强度范围内可被检出，所有结构均采用特别详细检查（Special Detailed Inspection，简称SDI），即离位的渗透检查法。

分析襟翼下沉铰链机构的工作环境和所在位置发现，该机构位于机翼后缘部位，属于偶然事件频发区域，受腐蚀、环境的影响很小，因此襟翼下沉铰链机构只需要在发生偶然事件时进行AD检查，忽略ED造成的影响。根据MSG-3进行ADR评估，确定各结构的检查任务，具体分析过程如表3所示，其中GVI（General Visual Inspection）为一般目视检查，DET（Detail Inspection）为详细目视检查，从表3可以看出：支臂双耳和摇臂单耳ADR为6，可见性较好，采用GVI进行结构检查；而销轴结构被耳片结构遮挡导致GVI不适用，采用DET进行结构检查。然而，AD的随机性和概率性导致检查的周期和频次并不固定，使得维护成本也难以精确预计。为解决该问题，本文提出非计划维护任务的DMC预计模型，通过建立偶然事件与检查频次之间的联系，衡量在飞机服役期内的检查频次。非计划维护任务的DMC预计模型的数据输入如表4所示，其中，偶然事件发生次数和发生概率来自2015年《中国民用航空安全信息统计分析报告》；影响程度按该偶然事件影响部位统计结果给出，例如鸟击的影响程度来自2015年《鸟击航空器信息分析报告》。

表3 MSG-3分析过程Table 3 Analysis process of MSG-3

表4 偶然事件的发生概率和影响程度Table 4 Occurrence probability and influence degree of accidental events

3.3 DMC预计

根据上述对襟翼下沉铰链机构维护任务的分析，整理汇总得到MTA报告，如表5所示，其中，接近时间和检查时间参考相关机型AMM（Aircraft Maintenance Manual）的操作程序和工程实践确定。同时，考虑到不同的检查任务间有着重复的接近时间，对能够同时接近的检查任务进行整合，以符合工程实际。

表5 结构检查任务汇总表Table 5 Summary of structural inspection tasks

基于表5给出的详细信息，襟翼下沉铰链机构的DMC按照式（1）～式（8），结合飞机的设计参数进行计算。DMC预计结果汇总如表6所示，在本案例中，只计算一个襟翼下沉铰链机构的维护成本。根据国内市场惯例，取SDI人工工时费率为80美元/小时，材料费取20美元；GVI和DET的费率为60美元/小时，原位维修不消耗材料。