关键航空材料服役失效中的科学问题研究

【类型】学位论文

【作者】傅国如 

【关键词】 航空材料 失效学 服役 失效 研究 科学问题

【摘要】本文从作者主持或参加的数百起航空装备服役失效事件入手，围绕关键航空材料服役失效研究中的科学问题，运用辩证唯物主义原理和方法，研究了失效中的基本哲学问题；从科学学的角度研究了失效学这门新兴学科的内涵、特点和体系结构与组成；运用系统研究方法，对失效研究中的失效诊断、失效预测和失效预防三个方面，分别系统、全面地进行了总结、归纳，重点研究了他们各自的理论依据、工程技术方法和客观规律，并结合航空装备的实际工程问题进行了应用研究。主要研究内容及结果如下：（1）运用辩证唯物主义基本原理和方法，系统地研究了失效及失效研究中的认识论、矛盾论、系统论、方法论和价值论等五个基本哲学问题。失效具有绝对性、必然性和规律性，失效的发生都是有原因的，也是可以预防的；失效研究无止境。失效中的主要矛盾是失效与安全之间的矛盾；通过失效研究可以将“失效”转化为“安全”。任何失效都是系统中的失效，是多种因素相互作用的结果；失效研究要把失效事件放到系统中来研究，从整体上分析。失效研究的思维方法在开始时应以逆向思维为主，逐渐过渡到正向思维和逆向思维相结合，最后以正向思维为主；技术方法主要有残骸分析法、逻辑推理法、故障树分析法、模拟试验法、系统分析法等。失效研究的价值主要表现在创新知识、政治价值、经济损失和军事效益等方面；其首要价值就在于它是人类知识的源头。（2）运用科学学原理和方法，系统地研究了失效学的内涵、特点、方法和体系结构与组成；提出了失效学体系结构的三个层次和15个组成部分，建立了失效学体系结构。失效学属于“安全科学技术”领域范畴，是“安全科学技术”的二级学科；是研究产品服役中，人与产品、产品与环境之间的相互作用关系，从而保证产品使用安全的科学和技术；特点是综合性、整体性和工程性；研究内容一是探索失效现象、本质及其变化规律和预测、预防失效发生的理论和方法，二是减少或避免失效发生的工程技术手段和方法。研究方向包括失效诊断、失效预测和失效预防三个方面；研究方法有宏观与微观分析相结合方法、定性与定量分析相结合方法、单因素与多因素研究相结合方法、静态与动态研究相结合方法等。失效学的体系结构由失效基础理论、失效技术科学和失效工程技术三个层次组成，其中失效基础理论层次由失效哲学、失效数学、失效化学、失效力学、失效材料学等组成；失效技术科学层次由失效管理学、失效系统学、失效教育学、失效经济学、失效法学等组成；失效工程技术层次由失效诊断技术、失效预测技术、失效预防技术、失效检测技术、失效控制（预警）技术等组成。（3）系统总结了失效诊断的内涵、思路和程序，提出了诊断的依据、方法和规律。提出了以残骸断口、裂纹、痕迹和参数为依据的确定性诊断、概率型诊断、模糊诊断和灰色诊断等失效诊断方法，给出了典型失效模式的诊断方法和判据。失效原因诊断可从载荷、材料、缺陷等方面着手，从设计、制造、使用和维护四个方面分别诊断。失效机理诊断可依据失效模式、残骸微观特征和对失效事件的数理统计分析进行诊断，分析得出了使用中的失效概率大小与失效内在本质的关系。运用上述研究结果和方法，对发动机压气机四级盘轮缘破裂失效和飞机起落架固定螺栓断裂失效等工程失效问题进行了应用研究，提高了诊断的准确性。（4）系统研究了失效模式、原因和机理预测的依据、方法和规律，提出了分别和综合以材料、载荷、环境、加工制造过程、失效时机和同类零部件已发生失效模式等为依据的失效模式预测方法，并对航空发动机主要结构件的失效模式进行了预测；提出了以典型失效模式和以往装备同类零部件的失效原因为基础，从应力、材料、缺陷三方面进行预测的失效原因预测方法；以及微观机理定性预测方法，和以物理数学模型、概率模型为基础的失效规律定量预测方法；总结给出了疲劳剩余寿命预测和飞机日历寿命预测技术方法，用经验法、加速试验法和服役损伤法三种方法估算了××飞机的日历寿命。（5）失效预防可分为工程预防和本质预防，其中工程预防方法有提高失效抗力、降低失效应力和控制缺陷形成等方法；本质预防需从设计、材料、制造、使用等方面制定标准、规范（准则），建立预防机制；提出了适于航空装备的材料性能指标体系。提出了转变思想观念，完善管理制度，加强技术手段；从理念、制度、程序和实践上加强安全管理体系建设；在技术上制定技术标准和规范，形成完备的技术体系；在管理上建立科学的全寿命、全方位、全过程预防机制，强化管理的科学性；建立融合技术和管理的预防机制的失效预防观。以及依靠安全工程技术手段；新装备研制中做好安全性设计与验证；现役装备排故中全面验证措施，避免新的隐患；新材料研制中制定针对性指标，应用前进行充分工程试验；建立失效案例库，发挥失效事件反面教材作用等预防思路。总之，客观世界是无限的，人的认识是有限的，失效难以避免，失效研究没有止境；失效研究技术和方法需要不断完善和发展。失效诊断是整个失效研究的基础，失效预防是其最终目的。预防失效需要树立科学的失效预防观，建立长效机制。针对具体失效事件，要做到原因分析深入、失效定位准确、问题归零完全。只有“设计可靠、选材准确、工艺稳定、验证充分、更改审慎、决策科学、问题归零”，才能避免失效再次发生。

【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】钟群鹏

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