V2500 发动机短舱全寿命周期健康管理体系研究

■ 张小波 孙良臣/中国南方航空股份有限公司工程技术分公司沈阳基地

0 引言

自20 世纪80 年代末空客公司推出A320 系列飞机以来，空客A320 系列飞机已发展成为全球范围内民用窄体客机的主力机型。后期空客公司推出A320neo（新款发动机选项）飞机，在此之前的飞机被称为A320ceo（现款发动机选项）飞机，A320ceo 飞机配备V2500、CFM56-5B 两种发动机。随着A320ceo 机队飞机使用年限的增加，飞机老龄化问题日渐突出，尤其是V2500 发动机短舱结构主要由复合材料制成，为后退平移式反推结构，位于高温、高振动区域，运行条件恶劣，随着飞行小时、飞行循环的不断增长，在运行过程中发动机短舱出现各类损伤的情况愈发频繁，且大多数损伤为超手册损伤，导致飞机非计划停场，短舱部件需要更换或送修。据统计，V2500 短舱年拆换率通常为6%～8%，单件送修费用20 万～80 万元，成本高昂，大大增加了航司的维修成本和运营成本。

飞机原始设备制造商（OEM）给出的维修大纲中对发动机短舱的检查要求通常包含在区域检查项目中，检查方式为一般目视检查，检查间隔一般为C 检。航司根据维护经验，虽然增加了一些检查项目，但缺乏针对发动机短舱部件系统的管理方法和体系。为改善空客A320 飞机V2500 发动机短舱的运行状态，提高运行可靠性，降低维修成本，南航沈阳基地对建立V2500 发动机短舱的全寿命周期健康管理体系进行了研究。

1 飞机结构健康监测和管理技术

飞机健康监测和管理技术是基于飞机故障诊断、故障预测信息、逻辑信息和运营需要，对飞机健康状态做出适当决策，使得其维修效率最优化的技术之一。这项技术的重点是通过智能模型和各种算法的应用，并且依赖各类先进传感器的功能，对飞机的健康状态进行监测和管理。对飞机结构进行健康监测和管理是飞机健康监测和管理系统中的重要组成部分。飞机结构健康监测和管理主要通过在结构中铺设的先进传感器对反映结构健康有关数据和信息（如应力、应变、模态等）进行实时获取，从而对结构中损伤程度和损伤扩展进行监测跟踪，达到对结构损伤预测和估计结构剩余寿命的目的，并对任务决策和后勤保障的维护提出明确指导和建议。现阶段，国内外大部分研究主要集中于传感器和损伤诊断方法的原理性研究，部分实际应用研究在军用飞机中展开。波音与空客在结构健康管理方面已经开展了长期研究，但还未在现役飞机中使用。还有一些研究者利用基于模型方法和概率统计方法相结合的方式对飞机结构部件的健康监测和管理开展研究，但在实际工程上的应用仍处于尝试阶段。

2 V2500 发动机短舱全寿命周期健康管理体系的建立方法

如果采取飞机结构健康监测和管理的传统路径，在现役飞机短舱结构上铺设大量传感器和传输线路，在飞机上加载健康监测系统的辅助设备，将改变飞机构型，需要制造厂家、局方的充分配合，改装成本高昂，适航验证和批准非常困难。因此，南航沈阳基地通过开展V2500 发动机短舱结构的典型损伤机理研究、模拟损伤扩展速率研究、损伤抑制/减缓技术研究、基于数据模型的维修间隔确定方法研究、短舱结构健康状态检查方法研究，充分利用机队发动机短舱运行、维护和修理数据，完成对短舱全寿命周期健康管理体系的建立。使用数据分析方法建立维修间隔数学模型，科学确定检查门槛值，辅以健康检查，确定部件状态并预测剩余使用寿命，做出维修决策。技术路径如图1所示。

图1 技术路径

2.1 典型损伤产生机理研究

根据现有记录的损伤数据及相关文献数据，对短舱系统的所有损伤进行分类，主要包括划伤、刻痕、腐蚀、磨损、裂纹、凹坑、贯穿、分层、脱胶、雷击等，并研究典型损伤的特征以及表征参数。对各类型的损伤开展损伤来源分析，基于统计数据，对短舱系统开展损伤威胁评估研究。针对短舱系统的典型损伤，采用预制损伤的方式开展相应的数值研究和参数化建模研究。

2.2 损伤扩展速率研究

针对复合材料和金属结构的典型损伤，分别开展其损伤扩展数值研究，确定材料疲劳裂纹扩展和断裂的定量规律，并拟合得到相应的损伤/断裂模型及参数。对维修及运行记录的原始数据进行清洗，完成数据预处理。基于前期的典型损伤扩展试验结果，选择合适的基于特征的损伤演化模型，基于可靠性分析（判断分析故障分布类型、数据拟合、分布检验和模型参数估计），对数据集进行划分，分别采用支持向量机SVM 和神经网络等AI 算法开展数据分析。基于原始数据和损伤模型研究结果，对各类模型进行比较和打分。

2.3 损伤抑制/减缓技术研究

开展文献调研，总结适用于发动机短舱系统的损伤抑制/减缓技术，确定本研究的推荐方案。基于推荐的两种损伤抑制/减缓技术开展数值研究，预制损伤方式，研究损伤抑制/减缓技术的效果，并研究该技术对维修间隔确定的影响。

2.4 基于数据模型的维修间隔确定方法研究

通过基于成本和可用性的分析方法与基于大数据和AI 模型的分析方法，对维修间隔的确定进行研究。基于成本和可用性的分析方法通过短舱部件的维修间隔记录，采用威布尔分布拟合获得其寿命分布，在已知维修花费和时间基本信息的情况下，通过计算获得稳定的最优维修间隔。基于大数据和AI 模型的分析方法不预先假设发动机短舱部件的维修间隔分布，而是基于已有的记录数据（包括历史维修间隔和其他损伤信息）预测短舱部件的下一次故障时间。

2.5 短舱结构健康状态检查

参照数据模型确定的维修门槛值，对短舱部件进行健康状态检查。针对短舱结构编制健康状态检查工卡，对短舱整体状态进行检查，对易发生典型损伤的区域进行重点检查，并将检查结果进行汇总、打分，确定短舱结构的健康状态。根据短舱的健康状态检查结果，对短舱结构采取三种不同的维修方式：

1）不需维修；

2）使用损伤抑制技术，延长短舱在翼寿命，同时确定下次健康检查时间或拆下翻修时间；

3）拆下翻修，恢复短舱至可用状态。

在维修系统中建立短舱健康管理模块，将机队短舱基础信息录入到模块中，根据维修门槛值，对短舱进行健康检查，根据检查结果采取继续使用、适当维修（采取损伤抑制措施）、拆下翻修等维修策略，确保短舱运行安全、可靠，维修成本最优。

3 结论

V2500 发动机短舱的健康管理体系是南航内部维修计划（Maintenance Requirement System，MRS）的有益补充，主要维修策略是扭转被动的事后维修状态，实现基于部件状态的主动预测型维修。针对发动机短舱结构，引入飞机结构健康监测与管理理念，评估发动机短舱结构的健康状况，预测其剩余使用寿命，建立维修门槛，进行单机化短舱部件管理，提高短舱部件的运行可靠性，减少非计划维修工作，同时也可以优化维修航材和备件库存管理，显著降低运营与维修成本。