基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法技术

本发明专利技术属于飞行器结构风险分析技术领域，具体涉及基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法,步骤一：选择关注的疲劳关键部位，预测任意时间的裂纹尺寸概率分布；预测任意时间的单次飞行失效概率SFPOF；步骤二：确定单次飞行失效概率SFPOF达到安全阈值的时间t

【技术实现步骤摘要】
基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法


[0001]本专利技术属于飞行器结构风险分析
，具体涉及基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法。

技术介绍

[0002]军用飞机结构完整性大纲(GJB775A
‑
2012)规定应对结构进行风险分析，以验证飞机在设计使用寿命期内出现疲劳断裂的风险足够低，或者判断应何时进行检查维护以确保断裂风险在一个可接受的阈值之下。
[0003]结构断裂风险分析将各种不确定性变量/因素纳入结构疲劳寿命和裂纹扩展寿命预测，计算全寿命期内结构因疲劳断裂而发生失效的概率。断裂失效概率通常用单次飞行失效概率(SFPOF)来表征，指结构在之前飞行未失效的前提下当前飞行发生失效的概率，并允许在当前飞行之前进行预防性维护。
[0004]GJB775A
‑
2012规定，单次飞行失效概率(SFPOF)应限制在1
×
10
‑7至1
×
10
‑5之间，若SFPOF≤10
‑7，认为可足以保证飞机长期使用安全；若SFPOF>10
‑5，认为风险过高，不可接受；若10
‑7<SFPOF≤10
‑5，应考虑通过检查、修理、更换、限制使用等措施来降低风险。
[0005]相比基于确定性损伤容限分析确定的检查时机，结构断裂风险分析通过计算未来飞行断裂失效概率，来确定是否需要减小检查间隔，以保证飞机安全性和可靠性，或者是否可以增大检查间隔，从而降低结构维护费用、提高装备出勤率和完好率。
[0006]基于结构风险分析确定维护计划的常用准则是同时考虑飞行安全和维护成本，即在SFPOF小于安全阈值的前提下维护成本最低。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的：本专利技术提出一种基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法，从裂纹尺寸贝叶斯信息增益最大化的角度出发，提出一种同时考虑飞行安全和贝叶斯信息增益的准则，即在SFPOF小于安全阈值的前提下贝叶斯信息增益最大。该准则的前提是在结构断裂风险分析中引入贝叶斯推理方法，通过融合外场结构检查数据以更新裂纹尺寸概率分布，从而减少概率预测的不确定性。通过该方法能够为引入贝叶斯推理的结构风险分析提供更多更有效的信息，从而实现在确保飞行安全的前提下优化全寿命周期内的结构检查时机。
[0008]本专利技术的技术方案：
[0009]基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一：选择关注的疲劳关键部位，采用概率断裂力学模型，以载荷谱、材料参数、几何参数、初始裂纹尺寸为输入，预测任意时间的裂纹尺寸概率分布；
[0011]并根据疲劳断裂失效准则和概率分析方法，预测任意时间的单次飞行失效概率SFPOF；
[0012]步骤二：依据风险阈值准则，确定单次飞行失效概率SFPOF达到安全阈值的时间
t
risk
；判断t
risk
是否小于设计使用寿命，若是，则转至步骤三，否则结束；
[0013]步骤三：根据任意时间的裂纹尺寸概率分布和时间t
risk
，计算前次检查时间t
previous
与t
risk
之间每个时间点的裂纹尺寸贝叶斯信息增益，确定出信息增益最大值时间t
max(IG)
；
[0014]步骤四：当飞行至信息增益最大值时间t
max(IG)
时对关注的疲劳关键部位进行检查，若检查出裂纹则立即修理,根据t
max(IG)
时检查前的裂纹尺寸概率分布以及修理后的初始裂纹尺寸概率分布，计算t
max(IG)
时检查后的裂纹尺寸概率分布；
[0015]步骤五：根据t
max(IG)
时检查后的裂纹尺寸概率分布，更新t
max(IG)
之后时间的裂纹尺寸概率分布及单次飞行失效概率SFPOF，同时令前次检查时间t
previous
＝t
max(IG)
；
[0016]返回步骤二。
[0017]进一步，所述步骤一中，所述疲劳断裂失效准则包括：断裂韧度准则，指飞行中最大应力强度因子超过材料断裂韧度；
[0018]剩余强度准则，指飞行中最大载荷超过结构剩余强度；
[0019]临界裂纹尺寸准则，指裂纹尺寸扩展至临界值。
[0020]进一步，所述步骤二中，风险阈值准则为：单次飞行失效概率SFPOF应小于安全阈值，安全阈值与飞机可靠度要求有关，一般取为10
‑7。
[0021]进一步，所述步骤二中，t
risk
是单次飞行失效概率SFPOF恰好等于安全阈值时所对应的时间。
[0022]进一步，所述步骤三中，前次检查时间t
previous
与t
risk
之间每个时间点的裂纹尺寸贝叶斯信息增益计算过程如下：
[0023](1)根据任意时间的裂纹尺寸概率分布，计算在[t
previous
,t
risk
]之间每个时间点该部位的裂纹检出概率期望值PCD，计算公式为：
[0024]PCD＝∫POD(a)
·
f(a)
·
da
[0025]其中，PCD表示裂纹检出概率期望值；POD(a)表示裂纹检出概率函数；f(a)表示检查前的裂纹尺寸概率分布函数；a是裂纹尺寸；
[0026](2)通过随机抽样模拟[t
previous
,t
risk
]之间每个时间点的检查结果，在[0,1]之间随机抽取一个样本，用x表示，若x≤PCD，则表示检查结果为“有”裂纹，记为hit，若PCD<x≤1，则表示检查结果为“无”裂纹，记为miss；
[0027](3)根据检查结果“有/无”裂纹，对检查前的裂纹尺寸概率分布进行贝叶斯更新，获得检查后的裂纹尺寸概率分布，公式如下：
[0028][0029][0030]其中，f(a)为检查前的裂纹尺寸概率分布函数，f(y|a)为似然函数，y∈{hit,miss}；f(a|y)为检查后的裂纹尺寸概率分布函数；
[0031](4)根据检查前与检查后的裂纹尺寸概率分布，计算相对熵，即KL(Kullback
‑
Leibler)散度，它用来表征贝叶斯信息增益IG，IG＝D
KL
，计算公式为：
[0032][0033]或
[0034][0035]其中p(a)和q(a)分别表示检查前的裂纹尺寸先验概率分布和检查后的裂纹尺寸后验概率分布。
[0036]进一步，所述步骤三中，t
max(IG)
为[t
previous
,t
risk
]之间信息增益最大值所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于贝叶斯信息增益的结构风险分析维护计划优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：选择关注的疲劳关键部位，采用概率断裂力学模型，以载荷谱、材料参数、几何参数、初始裂纹尺寸为输入，预测任意时间的裂纹尺寸概率分布；并根据疲劳断裂失效准则和概率分析方法，预测任意时间的单次飞行失效概率SFPOF；步骤二：依据风险阈值准则，确定单次飞行失效概率SFPOF达到安全阈值的时间t
risk
；判断t
risk
是否小于设计使用寿命，若是，则转至步骤三，否则结束；步骤三：根据任意时间的裂纹尺寸概率分布和时间t
risk
，计算前次检查时间t
previous
与t
risk
之间每个时间点的裂纹尺寸贝叶斯信息增益，确定出信息增益最大值时间t
max(IG)
；步骤四：当飞行至信息增益最大值时间t
max(IG)
时对关注的疲劳关键部位进行检查，若检查出裂纹则立即修理；根据t
max(IG)
时检查前的裂纹尺寸概率分布以及修理后的初始裂纹尺寸概率分布，计算t
max(IG)
时检查后的裂纹尺寸概率分布；步骤五：根据t
max(IG)
时检查后的裂纹尺寸概率分布,更新t
max(IG)
之后时间的裂纹尺寸概率分布和单次飞行失效概率SFPOF，同时令前次检查时间t
previous
＝t
max(IG)
；返回步骤二。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，所述疲劳断裂失效准则包括：断裂韧度准则，指飞行中最大应力强度因子超过材料断裂韧度；剩余强度准则，指飞行中最大载荷超过结构剩余强度；临界裂纹尺寸准则，指裂纹尺寸扩展至临界值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，风险阈值准则为：单次飞行失效概率SFPOF应小于安全阈值，安全阈值为10
‑7。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，时间t
risk
是单次飞行失效概率SFPOF恰好等于安全阈值时所对应的时间。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，前次检查时间t
previous
与t
risk
之间每个时间点的裂纹尺寸贝叶斯信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：兑红娜，钟贵勇，潘绍振，董江，刘小冬，何雨舒，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：