(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111538266.8 (22)申请日 2021.12.15 (71)申请人 中国航空工业 集团公司成 都飞机设 计研究所 地址 610091 四川省成 都市青羊区日月大 道1610号 成都飞机 设计研究所计划发 展部 (72)发明人 兑红娜　董江　刘小冬　王勇军　 钟贵勇　潘绍振　 (74)专利代理 机构 中国航空专利中心 1 1008 代理人 王世磊 (51)Int.Cl. G06F 17/18(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06Q 10/00(2012.01)G06Q 10/06(2012.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结 构健康监控方法 (57)摘要 本发明属于飞机结构健康 监控技术领域， 具 体涉及一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机 结构健康 监控方法。 核心是通过结构疲劳断裂风 险分析， 将各种不确定性变量/因素纳入结构健 康监控和寿命 预测， 评估飞机结构在全寿命周期 内出现疲劳断裂/失效的风险程度； 同时采用贝 叶斯推理方法融合外场使用和维护数据以更新 和减少概率预测中的不确定性， 以提高结构寿命 预测和风险分析的准确性， 从而在保证结构安全 性和可靠性的前提下， 实现针对性地对每架飞机 做出积极主动且具有成本效益的维护决策。 权利要求书3页 说明书12页 附图3页 CN 114357378 A 2022.04.15 CN 114357378 A 1.一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 包括如下 步骤： S1： 根据飞行参数获取单机实 际使用载荷谱并预测未来载荷谱； 假设飞机当前已飞行 X0FH， 则X0FH内是单机实际使用载荷谱； X0FH之后是 预测的未来载荷谱； S2： 根据步骤S1中得到的单机实际使用载荷谱和未来预测载荷谱， 采用概率疲劳分析 法进行断裂风险分析， 输出损伤阈值下的概率寿命分布、 随时间推移的单次飞行失效概率； 采用概率损伤容限分析法进行断裂风险分析， 输出指定裂纹尺寸的概率寿命分布、 随时间 推移的概率裂纹尺寸分布、 以及随时间推移的单次飞行失效概率； 当飞行至结构维护计划 中的预定检查时间时， 计算裂纹检测概率， 进而预测检查后的概率裂纹尺寸分布和单次飞 行失效概 率； S3： 根据步骤S2的断裂风险分析输出结果， 设定单次飞行失效概率安全阈值， 按照单次 飞行失效概率低于安全阈值， 同时整个维护计划的维护成本最小化的原则， 进行外场结构 维护计划优化； S4： 判断执行外场结构维护计划时是否返回实际的结构检查维护结果， 如果在XiFH产生 了结构检查维护结果， 其中， Xi<X0， 则需要对步骤S2的XiFH的断裂风险分析输出结果进 行诊 断和更新， 基于更新的结果返回步骤S2对XiFH之后的断裂风险分析输出 结果进行 预测。 2.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 在所述步骤S2中， 概率疲劳分析法是在确定性疲劳分析的基础上假设材料参 数和疲劳损伤阈值是连续 随机变量， 采用应力或应变疲劳分析方法， 跟踪单机使用载荷谱 及未来概率载荷谱下 的损伤累积情况， 计算疲劳损伤达到阈值时的疲劳寿命分布， 进而采 用概率方法计算未来飞行失效概 率。 3.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 在所述步骤S2中， 概率损伤 容限分析法基于概率断裂力学， 在确定性损伤 容限 分析的基础上假设初始裂纹尺寸和材料参数是随机变量， 采用各种确定性或随机裂纹扩展 模型， 跟踪单机使用载荷谱及未来载荷谱下 的裂纹扩展， 计算 随时间推移的概率裂纹尺寸 分布， 进而根据断裂失效准则采用概 率方法计算未来飞行失效概 率。 4.根据权利要求1 ‑3任意一项所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康 监控方法， 其特征在于， 在所述步骤S2中， 采用条件可靠性法计算单次飞行失效概率的具体 过程如下： 若断裂失效准则为裂纹扩展至临界尺寸或疲劳损伤累积至损伤阈值， 当前飞行t 的失 效概率计算方式为： 其中， h(t)为当前飞行t的危险率， f( ·)和F(·)为当裂纹扩展至临界尺寸或损伤达到 阈值时疲劳寿命的概率分布函数和累积分布函数， f(t)和F(t)为当前飞行t的概率分布函 数值和累积分布函数值， R(t)为当前飞行t的累积存活率。 5.根据权利要求1 ‑3任意一项所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康 监控方法， 其特征在于， 在所述步骤S2中， 采用条件可靠性法计算单次飞行失效概率的具体 过程如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114357378 A 2若断裂失效准则为飞行中遇到的载荷超过结构剩余强度， 当前飞行t 的失效概率计算 方式为： 其中， 表示每次飞行最大应力σmax超过剩余强度σcr的概率， H( ·)是σmax的 累积分布函数； X表示与剩余 强度相关的所有变量， 包括断裂韧度、 裂纹尺寸、 裂纹扩展速率 参数； fX(X)表示变量的联合 概率分布， R(t)为当前飞行t的累积存活率。 6.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 在所述 步骤S2中， 裂纹检测概 率的计算公式为： 其中PCD表示裂纹检测概率； P OD表示裂纹检出概率， 与无损检测方法、 置信度及裂纹尺 寸有关； f(a)表示检 查前的裂纹尺寸概率分布函 数， [a1,a2]表示第k类 修理对应的裂纹尺寸 范围。 7.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 在所述 步骤S2中， 预测检查后的概 率裂纹尺寸分布， 计算公式为： 其中fafter(a)表示检查后的裂纹尺寸概率分布函数； PCDk表示第k类修理的裂纹检测概 率， fR,k(a)表示第k类修理后的裂纹尺 寸概率分布 函数； f(a)表 示检查前的裂纹尺 寸概率分 布函数。 8.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 在所述步骤S3中， 所述维护成本来源于： 检查、 修理、 虚警和失效， 它们产生的 预期费用可独立估算， 对于特定维护计划， 某一结构部位的维护费用估计值 为： 其中， E(CI)、 E(CR)、 E(CL)、 E(CF)、 E(C)分别表示检查成本、 修理成本、 虚警成本、 失效成 本及总成本的期望值， 和 表示第j次检查的检查费用和检查发生的概率， 通常 或1.0； 和 表示第j次检查第k类修理的修理费用和修理发生的概率， 其中， 修理发生 概率等于对应尺寸的裂纹检测概率； 和 表示第j次检查的虚警费用和虚警发生的概 率； CF表示该部位的失效成本， 表示该部位在飞行i的失效概 率。 9.根据权利要求1所述的一种基于疲劳断裂风险分析的概率单机结构健康监控方法， 其特征在于， 如果产生了结构检查维护结果， 对于结构检查维护结果是裂纹有/无的情况， 可根据步骤s2的概 率裂纹尺寸分布来执 行贝叶斯更新， 公式如下：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114357378 A 3