[发明专利]一种基于UKF的飞机疲劳结构剩余寿命预测方法

说明书

一种基于UKF的飞机疲劳结构剩余寿命预测方法，本发明涉及基于UKF的飞机疲劳结构剩余寿命预测方法。本发明为了解决现有方法飞机疲劳结构剩余寿命低的缺点。本发明包括：步骤一：基于Paris疲劳裂纹扩展公式，建立状态空间评估模型；步骤二：对步骤一建立的状态空间评估模型利用无迹卡尔曼滤波算法进行滤波，得到准确的状态参数向量x_k；步骤三：利用步骤二得到的准确的状态参数向量x_k，进行结构的裂纹扩展剩余寿命预测。通过对比实验可知，本发明算法的预测结果优于EKF算法，且预测得到的RUL绝对相对误差小于10％。本发明应用于飞机疲劳结构剩余寿命预测领域。

技术领域

本发明涉及基于UKF的飞机疲劳结构剩余寿命预测。

背景技术

由于多结构设计和飞行过程中承受随机动态载荷，疲劳损伤是飞机结构的主要失效方式之一。由于材料的微观结构变化能够对结构的疲劳性能造成很大的影响，而且材料的微观结构很难在制造过程中得到控制，即使采用相同的材料制造相同的飞机结构，制造出的构件也会表现出不同的疲劳性能。特别是起飞和降落过程中的增压/减压循环载荷易使机身壁板产生疲劳裂纹。据统计，因交变载荷造成的疲劳断裂事故占到机械结构失效总数的95％(高镇同,熊峻江.疲劳可靠性[M].北京航空航天大学出版社,2000)。而且在达到疲劳寿命时，结构在断裂失效前没有变形等明显先兆，具有极大的危险性。

事实上，更多的疲劳裂纹并未造成事故，但却由于需要对飞机结构进行维修严重地影响了正常的飞行训练，削弱了部队战斗力(刘芳,赵建印,宋贵宝.任务准备阶段机群战备完好率评估模型[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(3):488-491)。因为结构件查出疲劳裂纹而使大批飞机停飞的事时有发生，大大降低了飞机的战备完好率，影响装备可靠性。为避免疲劳裂纹可能产生的突然失效而需要对飞机结构进行复杂的检查、探伤、维修，也会使得飞机的维护费用、日常运行费用大大增加，导致飞机的经济性变差(WANG Y W,GOGU C,BINAUD N,et al.A cost driven predictive maintenance policy for structuralairframe maintenance[J].中国航空学报(英文版),2017,30(3):1242-1257.)。随着传感器技术的不断发展，在飞机的设计上越来越多的传感器被安装来采集关键部位的疲劳信息(白生宝,肖迎春,刘马宝,等.智能涂层传感器监测裂纹的工程适用性[J].无损检测,2015,37(1):42-44.PARK C,PETERS K.Optimization of embedded sensor placement forstructural health monitoring of composite airframes[J].AIAA Journal,2012,50(11):2536-2545.STASZEWSKI WJ.Fatigue crack detection using smart sensortechnologies[J].FatigueFracture of Engineering MaterialsStructures,2010,31(8):609-610.)，支持更为科学的视情维修。视情维修(周炳海,陶红玉,綦法群.带随机突变的两阶段退化系统视情维修建模[J].哈尔滨工业大学学报,2016,48(1):87-93.UN J Z,ZUO H F,WANG W B,et al.Prognostics uncertainty reduction by fusing on-linemonitoring data based on a state-space-based degradation model[J].MechanicalSystems and Signal Processing,2014,45:396-407.XIA T B,XI L F,ZHOU X J,etal.Condition-based maintenance for intelligent monitored series system withindependent machine failure modes.International Journal of ProductionResearch,2013,51(15):4585-4596.)由于能够充分利用采集的实时状态信息来减少不必要的定期停机维修，被广泛的应用于飞机维修计划的制定。由于视情维修计划的制定需要参照待维修结构的预期失效时间，因此结构的剩余寿命(remaining useful life，RUL)预测对于基于视情维修的计划制定十分的重要。