基于模型的航空发动机增压系统安全性分析方法研究

【类型】学位论文

【作者】鲍梦瑶 

【关键词】 活塞航空发动机 增压系统 系统安全性分析 影响因素 分级和定位 验证

【摘要】安全性是航空器的重要属性之一，是通过设计赋予、制造实现、验证表明、局方确认、维护保持的固有属性。近三十年来，随着航空涡轮增压发动机的不断发展，系统复杂程度大幅增加，与涡轮增压器有关的航空安全问题日益突出。因此，在航空发动机涡轮增压系统的设计和分析中进行系统安全性分析尤为重要。 系统安全性分析包括评估流程和分析方法，其是航空器研制过程中保证安全性需求较为有效的途径之一。在一般的航空器系统安全性评估流程中，不同阶段需采用相应的安全性分析方法进行定性和定量的分析，以确保产品满足安全性要求，如：传统安全性分析方法在FHA阶段主要使用故障树分析，在PSSA阶段主要使用故障树分析和共因分析，在SSA阶段主要使用故障树分析、故障模式及影响分析和故障模式影响与危害分析。然而，将这些传统分析方法直接应用到航空发动机涡轮增压系统安全性分析中时存在较大的难度和制约：一方面，传统分析方法具有高度的主观性并依赖于安全性分析人员个人经验，分析结果无法做到完整、一致、无误；另一方面，涡轮增压器与航空发动机的复杂匹配类联系造成失效形式相互耦合，使得传统分析方法难以分解和辨识失效模式及影响。为克服传统分析方法的缺点，近年来基于模型的系统安全性分析方法被发展出来，该方法具有更为针对性的架构，以避免基于经验分析方法的主观性，同时反映出复杂系统间的匹配耦合类问题，故为现阶段系统安全性分析的研究方向之一。但是，目前的基于模型的系统安全性分析方法主要集中在飞控系统，在航空发动机上的应用较少；且现有研究仍处于底层的部分软件系统，较少涉及整机系统。 本文正是从这一点出发，以发动机整机模型系统为基础，对某型发动机的涡轮增压系统开展了基于模型的系统安全性分析方法研究，从而将目前的系统安全性分析扩展到航空发动机领域，并包括更为高层的硬件系统，实现安全性分析方法的扩展及安全性水平的提升。全文主要研究内容及结论可从以下四个方面进行概括： 首先从航空器安全性的角度入手，将基于模型的开发过程引入到系统安全性评估流程中（ARP4761），以形成基于模型的系统安全性评估流程和分析方法。该开发过程与安全性评估流程共用同一系统模型，从而增加了系统模型重用性并减少人为错误。其中，安全性分析过程中所需突破的关键技术有：1）增压系统失效模式的参数化表达方法，即通过工作边界与安全边界的包容关系对失效进行判断。2）关键影响因素的分级和定位方法，其经过后续分析与验证后形成使用限制。3）安全性要求的验证方法，即通过分析的手段以验证系统所实施的设计和安全控制策略是否满足安全性要求。 之后，为保证系统安全性分析模型建立的针对性和准确性，研究中以某型航空活塞一级增压发动机为基础建立初级仿真模型，并采用试验验证方法对该初级模型各子系统进行校验；在此基础上，按照设计方案在原一级增压发动机模型上匹配二级增压系统、稳压箱以及部分管路系统，建立发动机两级增压发动机模型（终级模型）。试验验证表明，该（终级）模型较准确的反映了系统的规律，可用于后续的安全性分析研究。 对已建立的两级增压发动机模型采用“响应面法”进一步抽象出代理模型后，本文创新性的提出一种改进的“对应分析法”，实现分级和定位作用在失效模式上的影响因素，即：1）以基于列轮廓坐标F随影响因素数值偏离而变化的分级方法，确定这些影响因素对增压系统安全性影响的关键程度，实现对影响因素的分级；2）以基于行轮廓坐标G随影响因素的数值偏离而变化的定位方法，判断造成异常数据的影响因素，实现对影响因素的定位，其中样品点集群的偏离方向采用极角分类法进行确定。在此基础上，确定出相应的增压系统安全控制策略。经测试，上述技术方法应用于增压系统高空或高速续航状态下的系统安全性分析中是可行且有效的。 为判断所分析模型系统在采用安全控制策略后是否已达到可接受的设计安全性水平，本研究在最后通过“蒙特卡洛法”和“模型检验法”对该系统的安全性进行验证。其中，采用“蒙特卡洛法”评估并对比采用安全控制策略前后系统失效模式及概率的差异，其结果表明，采用安全控制策略后，系统各个失效模式的概率均有下降且安全性水平得到提高；另一方面，“模型检验法”被采用以对控制系统软件部分进行分析，其实例分析结果表明，模型检验的方法能够有效地分析控制系统中复杂控制逻辑的影响，发现需求中存在的一些缺陷，提高分析效率，适用于高安全要求的复杂控制系统。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】丁水汀

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