卿光輝，熊邦，王蔚澤

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

服役環(huán)境下的軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)定方法

卿光輝，熊邦，王蔚澤

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

由于軍機(jī)使用環(huán)境的特殊性，其維修大綱制定與民機(jī)所考慮的因素有所不同。以民機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷模型為基礎(chǔ)，通過對(duì)軍機(jī)維修標(biāo)準(zhǔn)的研究，分析了影響軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷的主要因素，建立了軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷模型。提出利用G1法確定模型中各指標(biāo)權(quán)重及引入專家權(quán)重對(duì)其進(jìn)行修正的指標(biāo)評(píng)價(jià)方法?？紤]到服役環(huán)境對(duì)指標(biāo)評(píng)定的影響，對(duì)飛機(jī)某部件在3種服役環(huán)境下的損傷等級(jí)值進(jìn)行了實(shí)例分析，并利用G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

軍機(jī)；環(huán)境損傷；G1法；灰色關(guān)聯(lián)

軍機(jī)是執(zhí)行軍事活動(dòng)的航空器，在保衛(wèi)國(guó)家領(lǐng)土中具有重要的戰(zhàn)略意義。環(huán)境損傷是由于氣候或者環(huán)境影響引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化[1]。造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的因素有很多方面。陳群志[2]根據(jù)軍機(jī)的分布、飛機(jī)地面環(huán)境的參數(shù)、以及金屬材料在監(jiān)測(cè)點(diǎn)下腐蝕測(cè)量3方面將軍機(jī)的機(jī)場(chǎng)環(huán)境劃分為4類。根據(jù)機(jī)場(chǎng)環(huán)境和五大戰(zhàn)區(qū)的分布，可將軍機(jī)的服役環(huán)境劃分為3大區(qū)域，分別為海洋、內(nèi)陸和高原服役環(huán)境。環(huán)境腐蝕使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命縮短，軍機(jī)的腐蝕現(xiàn)象與服役環(huán)境有很大關(guān)系。為保證飛機(jī)持續(xù)適航，需要制定結(jié)構(gòu)維修大綱，目前在研究軍機(jī)環(huán)境損傷上還沒有建立一套完善的評(píng)估體系，因此研究軍機(jī)環(huán)境損傷等級(jí)值的確定具有重要意義。

隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及國(guó)外民用飛機(jī)的引進(jìn)，中國(guó)維修人員有了更多的機(jī)會(huì)接觸國(guó)外先進(jìn)的維修思想，對(duì)依據(jù)MSG-3思想編制的維修文件的理解也更加深入，并相繼對(duì)民機(jī)結(jié)構(gòu)維修大綱的制定進(jìn)行了研究。孫偉等[3-4]通過建立民機(jī)環(huán)境損傷評(píng)估體系，采用指標(biāo)權(quán)重法來確定環(huán)境損傷等級(jí)值，該方法是一種保守分析，可滿足安全性要求，但沒有考慮指標(biāo)之間的相互影響。王海濤[5]在評(píng)定環(huán)境損傷等級(jí)值時(shí)考慮到各個(gè)影響因素指標(biāo)權(quán)重的不同，利用模糊數(shù)學(xué)的原理進(jìn)行綜合評(píng)定。對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷進(jìn)行評(píng)估往往依賴于專家的工程經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估專家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)估結(jié)果具有決定性的影響。為了綜合考慮每個(gè)專家的意見，本文通過建立軍機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)價(jià)模型和引入專家權(quán)重構(gòu)建了軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估體系。提出利用定性的G1法確定環(huán)境損傷指標(biāo)權(quán)重和專家權(quán)重，對(duì)軍機(jī)在上述3種服役環(huán)境下的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，利用定性定量的G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法對(duì)上述3種環(huán)境下的等級(jí)值進(jìn)行排序驗(yàn)證。

1 軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估體系

在確定金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷等級(jí)值時(shí)，首先對(duì)影響軍機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷的主要因素進(jìn)行分析并建立環(huán)境損傷評(píng)價(jià)模型，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)量化等級(jí)；其次由專家根據(jù)相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定；最后采用綜合評(píng)價(jià)方法確定損傷總等級(jí)?？紤]到目前中國(guó)軍機(jī)維修人員制定維修大綱的經(jīng)驗(yàn)欠缺，軍機(jī)維修評(píng)估可靠性數(shù)據(jù)較少，不同專家的評(píng)估會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此引入專家權(quán)重修正環(huán)境損傷指標(biāo)權(quán)重，使環(huán)境損傷指標(biāo)權(quán)重更可靠。

1.1 軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)價(jià)模型

在建立軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)價(jià)模型的過程中參考民機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷（ED）模型，其主要考慮了敏感性、接近性、防護(hù)性和可能性因素。與民機(jī)相比，中國(guó)多數(shù)軍機(jī)飛行強(qiáng)度低、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、腐蝕問題更嚴(yán)重，其中腐蝕敏感性包含對(duì)應(yīng)力腐蝕和其他腐蝕的敏感性，與民機(jī)敏感性的影響因素相同，其他指標(biāo)層的選取在參考國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)[1，6-7]、結(jié)合軍機(jī)服役環(huán)境的基礎(chǔ)上，與中航工業(yè)某軍機(jī)大型維修廠的專家訪談，對(duì)影響軍機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷的因素進(jìn)行分析，確定結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷模型的其他指標(biāo)因素。

1）可達(dá)性因素分析民機(jī)ED模型[3-4]中采用的“可見性”指標(biāo)包含口蓋尺寸、眼睛與重要結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的距離、設(shè)備稠密度。在MSG-3中，設(shè)備稠密度主要用于系統(tǒng)部件或區(qū)域維修分析，在結(jié)構(gòu)方面主要考慮對(duì)操作人員的視覺影響。在軍機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷中考慮采用“可達(dá)性”指標(biāo)，包括實(shí)體可達(dá)性和視覺可達(dá)性[7]。實(shí)體可達(dá)性與所要檢查部位處的口蓋尺寸、接近性程度有關(guān)，口蓋尺寸主要影響維修人員手動(dòng)操作，而接近性程度主要和檢查人員操作的空間有關(guān)；視覺可達(dá)性是指在人體視野范圍內(nèi)能實(shí)時(shí)觀察到的場(chǎng)景?？蛇_(dá)性指標(biāo)從距離、空間以及視覺方面更好地闡述了對(duì)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估的影響。

2）防護(hù)性因素分析文獻(xiàn)[3-4]沒有對(duì)防護(hù)性進(jìn)行詳細(xì)分析，而對(duì)軍機(jī)結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷進(jìn)行防護(hù)性分析時(shí)，應(yīng)考慮金屬材料的防護(hù)機(jī)理。常見的防護(hù)措施包括：①材料表面預(yù)處理；②材料基體表面噴涂底漆；③材料外表面噴涂面漆。防護(hù)性考慮了防護(hù)層的經(jīng)濟(jì)性和被防護(hù)材料之間的相容性[7]，對(duì)不同材料采取相對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。因此軍機(jī)環(huán)境損傷防護(hù)性因素考慮了處理工藝對(duì)結(jié)構(gòu)防護(hù)性的影響。

3）可能性因素分析文獻(xiàn)[3-4]沒有考慮溫度的影響。但環(huán)境溫度對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響包含兩方面：①高溫，高溫和交變載荷同時(shí)作用，會(huì)發(fā)生蠕變和疲勞的相互作用，同時(shí)加速零件的腐蝕；②低溫，低溫環(huán)境下材料容易發(fā)生冷脆變，使得結(jié)構(gòu)失效[8]。故軍機(jī)環(huán)境損傷中需考慮環(huán)境溫度的影響。

由于軍機(jī)與民機(jī)的使用環(huán)境不同，軍機(jī)在低空訓(xùn)練及沙漠等環(huán)境下飛行時(shí)地面的砂石更易進(jìn)入到飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)中，或以相應(yīng)的速度對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行沖擊，產(chǎn)生磨蝕，在損傷處容易形成應(yīng)力集中，最后產(chǎn)生疲勞斷裂失效[8]。故軍機(jī)環(huán)境損傷中應(yīng)考慮風(fēng)沙的影響。

同樣，軍機(jī)周圍的輻射環(huán)境會(huì)對(duì)其金屬的防護(hù)材料產(chǎn)生影響，從而影響材料的防護(hù)性。文獻(xiàn)[9]指出高原輻射比沿海地區(qū)強(qiáng)度大，戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境更加復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]指出電磁感應(yīng)在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，在潮濕環(huán)境下易使金屬材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而加速腐蝕。故軍機(jī)環(huán)境損傷模型應(yīng)考慮輻射的影響。

在參考民機(jī)金屬結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過以上分析，建立軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷模型，如圖1所示。

圖1 軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)價(jià)模型Fig.1 Environmental damage assessment model for military aircraft metal structure

圖1中，目標(biāo)層A為環(huán)境損傷評(píng)估等級(jí)，要素層B為敏感性、防護(hù)性、可達(dá)性、可能性，要素層B以下為指標(biāo)層C。指標(biāo)評(píng)估由專家根據(jù)相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)確定，采用0、1、2三個(gè)等級(jí)，評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[3-4]。

1.2 專家權(quán)重

在對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行評(píng)估時(shí)，由于專家知識(shí)的積累、能力大小、經(jīng)驗(yàn)水平以及對(duì)問題的把握程度存在差異，所以不同專家的評(píng)估結(jié)果會(huì)不同，為了使評(píng)估結(jié)果更可靠，引入專家權(quán)重對(duì)環(huán)境損傷指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正。影響專家權(quán)重的因素[11]如圖2所示。

圖2 專家權(quán)重的影響因素Fig.2 Factors of experts weighting

2 權(quán)重確定及綜合評(píng)價(jià)方法

目前，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法有定性和定量分析[12]。層次分析法是一種定性分析方法，常常用來確定指標(biāo)權(quán)重。但當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較多時(shí)，專家運(yùn)用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣的難度加大，而G1法克服了其缺點(diǎn)，且無需構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)同層次元素個(gè)數(shù)沒有限制，計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)便實(shí)用?；疑P(guān)聯(lián)分析是一種定量的分析方法，常常用來對(duì)不同評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行定量排序。

2.1 G1法確定指標(biāo)權(quán)重

2.2 G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)方法

G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)方法利用G1法確定的指標(biāo)權(quán)重去修正灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)中的分辨系數(shù)ρ，使得評(píng)估結(jié)果更合理[14]。使用該方法對(duì)3種環(huán)境下的部件損傷等級(jí)值進(jìn)行排序，需要確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，設(shè)其中有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象。計(jì)算3種環(huán)境下?lián)p傷等級(jí)值排序，所以n=13，m=3，被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值可以用R=（rij）m×n矩陣形式表示，其中rij為不同環(huán)境下的各指標(biāo)等級(jí)值。確定理想對(duì)象R0=（r01，r02，…，r0n），記r0j理想指標(biāo)值為2。對(duì)指標(biāo)等級(jí)進(jìn)行極值法處理sij=rij/2，得到新的矩陣S=（sij）m×n。

首先計(jì)算分辨系數(shù)ρ

其次得出Si的第j個(gè)指標(biāo)與S0的第j個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

其中：Si=（si1，si2，…，sin），S0=（s01，s02，…，s0n）=（1，1，…，1）為參考數(shù)列。則關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

最后求出3種環(huán)境下與理想值的關(guān)聯(lián)度為其中：ω=（ωj）n×1為指標(biāo)層C各個(gè)指標(biāo)綜合權(quán)重向量。X=（xi）m×1，xi值越大，則該環(huán)境下的損傷等級(jí)值越接近于理想值，環(huán)境對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕影響越小。

3 實(shí)例分析與驗(yàn)證

3.1 實(shí)例分析

選取某型飛機(jī)水平安定面的中央盒段上壁板作為評(píng)價(jià)對(duì)象，上壁板為金屬材料鈑金結(jié)構(gòu)，屬于重要結(jié)構(gòu)部件。根據(jù)圖1的軍機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估模型，采用G1法編制環(huán)境損傷指標(biāo)權(quán)重調(diào)查問卷，確定5個(gè)專家對(duì)調(diào)查問卷進(jìn)行評(píng)分。首先利用G1法求得專家權(quán)重和環(huán)境損傷各指標(biāo)權(quán)重，其次由專家權(quán)重對(duì)環(huán)境損傷各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)修正，最后根據(jù)5個(gè)專家對(duì)環(huán)境損傷指標(biāo)在3種環(huán)境下評(píng)分，得出該飛機(jī)部件在3種環(huán)境下的環(huán)境損傷等級(jí)值。

確定專家權(quán)重各影響因素的值：咨詢維修專家，對(duì)圖2中的專家權(quán)重各影響因素進(jìn)行排序，采用G1法求得各影響因素的權(quán)重，如表1所示。各專家權(quán)重的影響因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，影響因素指標(biāo)分為5、3、2三個(gè)等級(jí)。參與本次評(píng)價(jià)的5個(gè)專家的得分情況如表3所示，目前軍機(jī)環(huán)境損傷尚未建立一套完善的評(píng)估體系，參與問卷調(diào)查的維修專家都是初次參與評(píng)價(jià)，經(jīng)驗(yàn)不足，因此把握度的打分較低。

利用表3所得專家影響因素分值與表1影響因素權(quán)重進(jìn)行相乘，分別得到本次參與評(píng)價(jià)的5個(gè)專家總得分，分別為4.082 0，3.340 5，3.911 9，3.170 4，2.340 4。對(duì)專家得分進(jìn)行加權(quán)求和，則得到本次參與評(píng)估的每個(gè)專家權(quán)重ω專家=（0.242 3，0.198 3，0.232 2，0.188 2，0.138 9）T。

通過5個(gè)專家對(duì)環(huán)境損傷要素層以及指標(biāo)層的排序進(jìn)行分析，利用G1法求得要素層B的權(quán)重，考慮專家權(quán)重得要素層B的權(quán)重ωB=（0.353 8，0.225 0，0.164 9，0.256 3）T，如表4所示。

表1 專家權(quán)重的影響因素排序及權(quán)重Tab.1 Order and weight of expert weighting factors

表2 專家權(quán)重的影響因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of expert weighting factors

表3 專家權(quán)重的影響因素打分Tab.3 Score of expert weighting factors

同理，考慮專家權(quán)重后指標(biāo)層C的權(quán)重為

表4 要素層B的權(quán)重Tab.4 Weight of factors in Level B

專家權(quán)重后的要素層B和指標(biāo)層C的權(quán)重綜合可得指標(biāo)層C對(duì)于目標(biāo)層A的綜合權(quán)重為

在3種環(huán)境下，由5個(gè)專家對(duì)環(huán)境損傷指標(biāo)分別評(píng)分，并對(duì)指標(biāo)求和平均，得出在3種環(huán)境下的指標(biāo)分值，如表5所示。

表5 在3種環(huán)境下各指標(biāo)分值Tab.5 Index scores under three types of environments

由指標(biāo)綜合權(quán)重與表5指標(biāo)分值相乘得到該部件在3種環(huán)境下的損傷等級(jí)值，海洋環(huán)境下為1.296 7，內(nèi)陸環(huán)境下為1.380 2，高原環(huán)境下為1.418 5。

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

采用G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)評(píng)價(jià)模型對(duì)以上損傷評(píng)估方法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)表5中的指標(biāo)等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，得到

根據(jù)式（1），計(jì)算出xi′=2.047 7，可得ρ=0.682 6。

根據(jù)式（2）求得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

得出該部件在3種環(huán)境下的環(huán)境損傷等級(jí)值，與理想等級(jí)值相比進(jìn)行排序，如表6所示。

由上表可知，實(shí)例中部件在3種環(huán)境下與理想值的關(guān)聯(lián)度由小到大分別為海洋、內(nèi)陸、高原，關(guān)聯(lián)度排序越小說明腐蝕越嚴(yán)重。根據(jù)G1法計(jì)算的3種環(huán)境下的等級(jí)值大小排序可知部件在海洋地區(qū)腐蝕嚴(yán)重，其次是內(nèi)陸地區(qū)，最后是高原地區(qū)。關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果與G1法計(jì)算結(jié)果具有一致性并符合實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果有利于合理安排維修任務(wù)。

表6 環(huán)境損傷等級(jí)值和關(guān)聯(lián)度排序Tab.6 Environmental damage level and relational order

4 結(jié)語(yǔ)

1）建立的軍用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估體系，包括層次結(jié)構(gòu)的軍用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)估模型，并引入了專家權(quán)重對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正。

2）根據(jù)G1法編制了金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷問卷調(diào)查表，并利用G1法計(jì)算了環(huán)境損傷影響因素指標(biāo)權(quán)重和專家權(quán)重，并以某飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為例，得出其在3類環(huán)境下的損傷等級(jí)值。

3）利用G1-灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法對(duì)某結(jié)構(gòu)件的3種環(huán)境下?lián)p傷等級(jí)值進(jìn)行排序分析，關(guān)聯(lián)度排序結(jié)果與G1法計(jì)算結(jié)果具有一致性并符合實(shí)際情況。

本文提出的軍用飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷的評(píng)價(jià)方法，可為不同服役環(huán)境下的飛機(jī)結(jié)構(gòu)維修大綱制定提供參考。

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（責(zé)任編輯：黨亞茹）

Environmental damage assessment for military aircraft metal structure under service

QING Guanghui,XIONG Bang,WANG Weize
（College of Aeronautical Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

The maintenance program compiling of military aircrafts is different from civil aircrafts because of the special working environment of them.On the basis of civil aircraft metal structure environmental damage modeling,the relevant standards for military aircraft are studied.The main factors about the environmental damage of military aircraft metal structure are analyzed thoroughly and the military aircraft metal structural damage assessment model is created.G1 method is used to determine the weight of each index which is modified by the expert weight.By using the above methods,the damage level of a certain part under three kinds of services environments is obtained by taking into account the military aircraft service.Finally,the model which is called G1-Grey relational coefficient is used to verify the method.

military aircraft;environmental damage;G1 method;Grey relation

V267

A

1674－5590（2017）01－0017－05

2016-02-27；

2016-04-13基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金項(xiàng)目（20130267001）

卿光輝（1968—），男，湖南新化人，教授，博士，研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué).