考虑多阶段失效相关的折叠翼展开系统可靠性建模与分析

《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：Reliability Modeling and Analysis of Folding Wing Deployment Systems Considering Multiple Stages and Failure Dependence

本文针对折叠翼展开系统多阶段运行、多部件交互及失效相关等特性未被现有可靠性模型充分考量而导致重大误差的问题，研究人员开展了综合考虑部件间失效依赖性的折叠翼展开机构可靠性建模研究。通过分析展开与锁定阶段的失效机理，建立综合仿真模型，明确了性能参数与不同阶段风速水平的内在关系，并基于动态应力-强度干涉模型和统计平均算法，构建了系统可靠性模型。实例分析表明，该模型能更精确反映系统可靠性实际状态，且仅需确定特定风速下若干展开性能参数的分布即可应用，极大便利了工程实践。

　　

在现代军事科技的快速发展中，飞行器对战略灵活性和机动性的要求日益提高。为了减小携带空间并增加载弹量，新型战机普遍采用折叠翼展开系统来携带导弹和炸弹。折叠翼的核心功能是为导弹提供所需的法向力，并产生平衡重力的升力，以确保导弹稳定飞行；而展开系统的功能则是保证导弹发射时，机翼能够精确、及时、协调地展开到预定位置并可靠锁定。作为导弹系统的重要组成部分，折叠翼展开机构的正常运行直接关系到任务执行能力。然而，折叠翼展开机构具有多阶段运行过程、多部件交互作用以及失效相关依赖等鲜明特征。遗憾的是，现有的大多数关于折叠翼展开机构可靠性的研究未能充分考虑这些特性，导致已建立的可靠性模型存在显著误差，甚至可能得出错误结论。失效相关现象在系统可靠性问题中普遍存在，但在折叠翼系统的失效相关性机理分析、考虑失效相关的可靠性建模方法以及折叠翼机构展开的多阶段特性等方面的研究仍显不足。

为了更准确地评估折叠翼展开系统的可靠性，来自东北大学机械工程与自动化学院的研究团队在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》上发表了一项研究，题为“Reliability Modeling and Analysis of Folding Wing Deployment Systems Considering Multiple Stages and Failure Dependence”。该研究以某航空炸弹的四组折叠翼展开机构为研究对象，针对其展开过程中不同阶段存在的展开失效和锁定失效，开展了一种考虑多阶段失效相关性的系统可靠性建模与分析。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术方法：首先，利用计算流体动力学（CFD）仿真方法分析了折叠翼在不同展开角和风速下的气动载荷（包括升力F_L和阻力F_T），并建立了其与展开角度的近似线性关系。其次，采用多体动力学软件ADAMS建立了折叠翼展开机构的参数化虚拟样机模型，模拟了其展开和锁定过程，并分析了翼头宽度、旋转销半径、摩擦系数、螺旋弹簧刚度等因素对展开时间和锁定销冲击力的影响。接着，运用响应面法（Response Surface Method）拟合了设计变量与展开时间之间的数学关系，并采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）随机模拟方法获取了锁定销冲击力的分布数据。最后，基于动态应力-强度干涉（Stress-Strength Interference）模型和统计平均算法，建立了考虑风速水平随机性的系统级可靠性模型，充分考虑了部件间的失效依赖性。

2. 折叠翼展开机构动力学分析

研究人员首先对折叠翼展开机构进行了详细的动力学分析。他们引入了折叠翼展开机构的基本构成，包括展开部件（弹簧支座、旋转销、折叠翼、螺旋弹簧）和锁定部件（锁定销、位于翼头的锁定弹簧）。通过CFD仿真，计算了翼面的气动载荷，确定了其与展开角、攻角和飞行速度的关系，并推导出气动升力和阻力的计算公式（F = (1/2)ρSCv2）。利用ADAMS软件建立了虚拟样机模型，添加了相应的约束和力，模拟了翼从折叠状态到展开锁定的全过程。仿真结果显示，翼完全展开的角位移为70°，完整展开时间为0.206秒，锁定过程中锁定销承受的冲击力约为8000 N。此外，通过参数化分析，详细探讨了翼头宽度、旋转销半径、摩擦系数、气动载荷增量、弹簧刚度等多个设计变量对翼展开时间和锁定销冲击力的影响规律，为后续可靠性分析奠定了基础。

3. 折叠翼展开机构可靠性分析

本章节将折叠翼的完整操作分为展开和锁定两个阶段，分别考虑其可靠性。研究人员将各影响因素设置为参数化变量，并假设其服从正态分布。对于展开可靠性，将影响展开时间的参数化变量作为响应面输入，部署时间作为输出，采用Box-Behnken实验设计方法进行仿真，并通过响应面方程建立了参数与部署时间的数值关系。通过对翼展开时间响应面模型进行10000次随机抽样，结果表明翼展开时间t服从正态分布N(0.19147, 0.0047092)，计算得到展开可靠性R_time为0.9927。对于锁定可靠性，将影响锁定销冲击力的参数化变量进行蒙特卡洛随机模拟，得到冲击力Q服从正态分布N(8030.4098, 295.32212)。进一步根据剪切应力公式（F = Q/A = 4Q/(πd2)）和锁定销强度的分布（假设服从N(390, 392) MPa），通过应力-强度干涉模型计算得到锁定可靠性为0.99405。

4. 折叠翼展开机构系统可靠性分析

本研究最重要的贡献在于建立了考虑失效相关的系统可靠性模型。研究人员指出，折叠翼展开系统在结构上由四个展开机构组成，每个机构包含一个展开组件和一个锁定组件，从可靠性角度看是一个具有八个失效单元的串联失效系统。随机风载以及加工/装配的不确定性导致了失效之间的相关性。研究的关键在于通过概率框架合理描述展开性能参数（展开时间和锁定销剪切应力）与风载分布之间的关系。作者将风速水平离散为五个等级，并分别获取了每个风速等级下翼展开时间和锁定销剪切应力的分布参数。通过回归分析，确定了展开时间均值μ_t、标准差σ_t以及剪切应力均值μ_F、标准差σ_F与风速水平s之间的二次函数关系。在此基础上，建立了考虑风速随机分布（假设服从威布尔分布）的展开可靠性和锁定可靠性表达式，并最终构建了考虑失效依赖的折叠翼展开机构系统可靠性模型（R = ∫₀^+∞h(s) [∫_T1^T2f(t/s)dt]ⁿ(∫₀^+∞k(F/s) [∫_F^+∞g(τ)dτ]ⁿdF) ds）。通过与蒙特卡洛模拟结果对比，验证了该模型的准确性。结果表明，将单个展开机构的可靠性作为系统可靠性（0.98523）与实际结果（蒙特卡洛结果为0.95578）差异较大，而采用失效独立假设的系统可靠性模型（0.94222）的计算结果则偏于保守。相比之下，考虑失效依赖的系统可靠性模型（0.95836）更接近实际系统可靠性。进一步分析表明，当系统中部件数量超过5个时，独立系统模型与依赖系统模型的计算差异会逐渐增大，独立模型始终更为保守。

5. 结论

本研究提出了一种考虑折叠翼展开机构两阶段失效相关性的系统可靠性分析模型。通过研究，主要得出以下结论：(1) 明确了折叠翼在展开阶段和锁定阶段的主要失效模式及其关键影响因素，并分别计算了其阶段可靠性（展开可靠性0.9927，锁定可靠性0.9945）。(2) 指出将单个机构可靠性视为系统可靠性或采用失效独立假设进行系统可靠性评估的方法均不准确，前者误差大，后者则偏于保守。相比之下，考虑失效相关性计算得到的折叠翼展开机构系统可靠性更接近实际情况。(3) 所建立的考虑失效依赖的折叠翼展开机构系统可靠性模型，通过离散化风速进行系统可靠性预测，使得在实际工程应用中仅需获取几个确定性风速水平下的展开时间和剪切应力分布即可，极大便利了工程应用。这项研究为折叠翼展开机构的系统可靠性研究提供了新的思路和方法，对提高导弹等飞行器的任务成功率和可靠性设计具有重要的理论指导意义和工程应用价值。