[发明专利]基于柱面投影和蒙特卡洛的非包容失效安全性分析方法

说明书

本发明公开了一种基于柱面投影和蒙特卡洛的非包容失效安全性分析方法，涉及飞机特殊风险分析与评估技术领域，包括以下步骤：将安全性定性分析后所得飞机关键部件的模型进行外廓离散化处理，用于表征部件几何外形；分析碎片撞击部件时的柱面投影与边界提取方法，通过提取部件投影边界可获得部件危险窗；利用蒙特卡洛方法生成随机数模拟碎片运动轨迹，通过碎片运动轨迹与关键部件危险窗之间的关系判断部件失效情况以及飞机是否出现灾难性危险，最终计算飞机灾难性危险概率；从而为飞机研制过程中非包容失效的适航审定提供相关的方法支持，通过本方法可实现对飞机灾难性危险概率的精确和高效计算。

技术领域

本发明涉及飞机特殊风险分析与评估技术领域，特别是涉及一种基于柱面投影和蒙特卡洛的非包容失效安全性分析方法。

背景技术

非包容失效是指航空发动机或者辅助动力装置的转子在高速旋转时，由于疲劳等因素导致从转子脱落的高能碎片不能被机匣包容，对飞机造成危害的失效；非包容失效是影响飞机安全性的一种典型特殊风险，具有高能量的非包容碎片极有可能会穿透飞机机身、机翼、燃油箱等关键系统或部件，导致飞机机舱失压、控制失灵、燃油箱泄漏着火等多种风险，甚至可能导致飞机出现灾难性事故。

尽管“发动机适航标准”已经要求发动机的设计必须满足对转子叶片具有包容性，各发动机制造商也致力于使用新材料、新工艺和新结构以提升转子的结构强度和机匣的包容性，但服役经验表明，非包容失效问题仍会发生，因此需要在飞机设计时对非包容失效问题进行考虑，将非包容失效对飞机造成的危害降至最低。

国外各航空大国对非包容失效问题在20世纪60年代便开展了相关研究，研究的方面包括非包容事故统计数据分析、安全性分析方法研究以及针对非包容失效的防护技术研究，并且已经开发出了用于评估非包容失效问题的分析工具，通过对小型通用商务喷气式飞机和通用双引擎飞机的分析，证明其有效性，但由于技术封锁，现有资料仅对该软件的功能进行介绍，未对其具体实现方法做出说明。

国内对于非包容失效问题的研究起步较晚，可追溯的文献在21世纪初，相关研究工作主要聚焦于相关适航条款的分析研究、非包容失效案例与数据统计分析、非包容失效的安全性分析方法研究等方面。

在非包容失效的安全性分析方法的研究方面，安全性定性分析方法大多是基于功能危险分析和故障树分析；对于安全性定量分析方法的研究，主要有两种，第一种是公式法，即通过构建危险概率计算模型求解飞机灾难性危险概率，该方法存在以下缺陷：计算模型的输入为关键部件的飞散风险角和平动风险角，而使用飞散风险角和平动风险角表示关键部件的危险窗不够准确，要大于实际的危险窗；采用近似计算，将关键部件被单碎片撞击失效概率的均值作为该最小割集的触发概率；每次非包容事件中认为最多仅有一个最小割集被触发，与实际情况不符，并且未对采用此假设后所构建的模型进行精确性分析，难以保证计算结果的准确和可信；

第二种是CATIA环境下的蒙特卡洛方法，即在CATIA环境下通过碰撞检测模块分析失效部件，并利用蒙特卡洛方法求解飞机灾难性危险概率，不足之处为碰撞检测效率较低，尤其是蒙特卡洛方法需要大量仿真次数以求解较为精确的结果，使得分析时间较长。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于柱面投影和蒙特卡洛的非包容失效安全性分析方法，包括以下步骤

S1、对于安全性定性后所得的最小割集，将构成最小割集的关键部件进行外廓离散化处理，并确定各离散点的三维坐标，关键部件为失效将妨碍飞机的继续安全飞行和着陆的部件；

S2、结合非包容失效特点以及碎片的属性信息将关键部件外廓离散点向柱面投影，碎片的属性信息包括碎片类型、碎片数量以及产生该碎片的转子的旋转方向；

S3、将柱面展开得到柱面各投影点在平面上对应的离散点集，采用离散点集边界提取方法提取边界，以获得关键部件的危险窗；

S4、基于蒙特卡洛仿真方法求解飞机灾难性危险发生概率。