民用飛機襟翼下沉鉸鏈機構維護成本分析研究

馮成慧，王乾平，劉育斌，唐家強，劉佳奇

（1.航空工業第一飛機設計研究院結構設計研究所，西安 710089）（2.西北工業大學 航空學院，西安 710072）

0 引言

民用飛機襟翼下沉鉸鏈機構由支臂雙耳、搖臂單耳和銷軸等結構組成，可實現襟翼的運動偏轉功能，并擔負襟翼表面氣動載荷傳遞到機體結構的任務。依據CCAR-25-R4，該機構屬于民用飛機主要結構件（Principal Structural Element，簡稱PSE），在維護結構中鉸鏈機構也屬于重要維護 項 目（Structure Significant Item，簡 稱SSI）。通常，直接維護成本（DMC）在飛機直接運營成本所占比例達10%～20%，這部分成本可控裕度較大，具有很大的壓縮空間。因此研究DMC的構成要素和預計方法對成本的分析與控制具有重要意義。

近年來，國內外研究者圍繞飛機維護成本的預計開展了大量研究，提出了許多成本預計方法和模型。C.Sriram等提出了維修計劃的決策公式和解決問題的啟發式方法，通過合理安排飛機維修計劃，最大限度地減少維護成本和將飛機重新分配到航段期間產生的成本，可用于中型航空公司降低維護成本；M.Fioriti等提出了一種民用飛機維護費用的估算方法，針對每個飛機部件的維護成本影響因素存在差異的情況，通過對子系統級別的維修成本進行評估，來量化每個飛機部件對總維修成本的有效影響，實現更精確的維護成本預計，其預計結果與國際航空運輸協會提供的 參 考 值 具 有 良 好 的 一 致 性；M.Lee等采 用AEA（Association of European Airlines）方法對客機的營運成本進行了系統分析，對維護成本等要素進行了評估，同時以香港國際機場為背景，考慮了多個實際的飛行情景，確定了成本效益最佳的機型；J.Long等提出了一種基于無維護運行期理念以可靠性為中心的維護策略優化方法，可在滿足預定可靠性要求的情況下實現維護成本最小化，并通過一個基于在線可更換單元的實例，驗證了 所 提 出 的 維 護 策 略 優 化 方 法；Cai J等根 據MSG-3分析法，考慮門檻值和重復間隔提出了一種成本預測方法，用于優化檢查等級、門檻值和重復檢查間隔，同時通過該方法建立了飛機結構的最佳檢查模型，在滿足預定可靠性要求的情況下實現了維護成本最小化；吳靜敏等針對DMC的預計方法精度較低、存在需要大量專家知識的問題，提出了一種基于案例推理（Case-based Reasoning，簡稱CBR）的DMC估計方法，并通過案例驗證了該方法預計精度比其他方法提高了10%以上；Wang H W等基于模糊支持向量機提出了一種預計方法，實現了民用飛機設計階段動態矩陣的定量預測，同時闡述了所提DMC預計方法的分析與建模過程，并將提出的DMC預測模型應用于新研制的飛機進行驗證；劉余等基于DMC預計模型提出了結構修理恢復成本的計算方法，同時通過前中機身蒙皮壁板非計劃維修的案例驗證所提方法的有效性。然而，現有的DMC預計方法多是針對整機或者飛機系統部件在服役期內的維護成本進行預計，對飛機機體結構的維護成本預計方法的研究并不充分。同時，現有的DMC預計方法通常沒有考慮非計劃維護任務所產生的維護成本，實際上這部分費用在飛機實際運營過程中是不能忽略的。

針對以上問題，根據民用飛機襟翼下沉鉸鏈機構的設計特點，本文以損傷容限分析結果為基礎數據，基于MSG-3分析法提出一種民用飛機下沉鉸鏈機構維護成本預計方法。該方法通過制定MSG-3分析的等級對照標準，量化各項評定指標的模糊性，建立非計劃維護的DMC模型，預計對應任務所產生的維護成本；通過具體機型襟翼下沉鉸鏈機構的維護成本對所提方法的可行性和有效性進行驗證。

1 維護成本分析方法

1.1 基于量化指標的MSG-3分析法

MSG-3分析法是在工程實踐中常用的方法，是針對維護工作的分析邏輯法，其分析結果是為系統/分系統指定具體的維護任務。對于飛機機體結構，MSG-3中的結構邏輯分析法能做到更直接地評定結構的惡化程度，該分析法根據結構項目及持續性適航的重要性將結構分為SSI和一般結構項目。根據MSG-3結構邏輯分析，SSI結構維護任務的來源包括環境退化（Environmental Deterioration，簡稱ED）、偶然損傷（Accidental Damage，簡稱AD）、腐蝕預防和控制（Corrosion Prevention and Control Program，簡稱CPCP）。此外，針對損傷容限項目由損傷容限分析（Damage Tolerance Analysis，簡稱DTA）對結構進行疲勞損傷（Fatigue Damage，簡稱FD）分析，確定具體的維護任務。

確定ED和AD的檢查等級及檢查間隔需要根據維護任務的驅動因素，評估環境退化率（Environmental Deterioration Rating，簡稱EDR）和偶然損傷率（Accidental Damage Rating，簡稱ADR），同時 通 過ED分 析 考 慮CPCP的 任 務 需 求。EDR包含惡劣環境暴露等級、材料的防護等級、腐蝕的敏感度等級和可檢度等級的綜合評估；ADR包含偶然損傷可能性等級、對損傷擴展的敏感等級、剩余強度等級和可見性等級的綜合評估。在制定維護任務的過程中，針對上述評估項目會受到設計構型、裂紋可檢度和環境等因素模糊性干擾的問題，為保證分析過程的系統化和一致性，本文通過制定相應的評估等級標準來量化各因素對維護任務的影響。具體的量化標準如表1所示，EDR和ADR等于各項評定等級之和，各項評定等級取值均為0/1/2。

表1 評定等級對照標準Table 1 Comparison standard of rating

此外，FD是在交變載荷的作用下產生裂紋并持續擴展的結果，同時也受到飛機使用時間的影響，因此確定FD的維護任務需要基于裂紋擴展試驗的結果進行分析，并滿足CCAR25部對于疲勞和損傷容限評估的要求?？梢?，根據MSG-3進行FD分析與結構的DTA是一個統一的過程，可按照MSG-3的分析邏輯和流程，結合DTA的結果，制訂關于FD的維護任務和要求。

民用飛機襟翼下沉鉸鏈機構屬于SSI項目，結構性能的退化具有時間延遲的特征，屬于損傷容限項目，其邏輯分析決斷過程如圖1所示。

圖1 MSG-3分析邏輯決斷圖Fig.1 Logic decision diagram of MSG-3 analysis

1.2 基于MSG-3的DMC預計模型

分析MSG-3中維護任務的來源和性質發現，ED和FD分析所確定的維護任務是周期性的，而AD是離散性事件，經AD分析所確定的維護任務檢查時間并不固定，因此需要建立適用于計劃維護和非計劃維護的DMC預計模型。相對傳統的預計方法，基于MSG-3的DMC預計模型避免了只考慮計劃維護產生的費用導致與實際運營偏差較大的問題，通過建立適用性不同的DMC預計模型，考慮了飛機結構檢查產生的全部費用。

（1）計劃維修

機體結構的計劃維修任務一般來源于FD和ED，其門檻值、檢查間隔決定了在飛機服役期內的檢查頻次，檢查方法決定了人工成本和材料費用?；陲w機結構計劃維護DMC的構成要素和影響因素，建立結構計劃維護項目的DMC預計模型：

式中：F為頻次矩陣；Q為數量矩陣；H為人工成本矩陣；M為材料成本矩陣。

式（1）中的各矩陣由下列公式求解：

式中：i為任務序號；n為任務數量；N為每個任務在服役期間的任務次數；L為每個任務對應結構的生命周期；N為每個任務涉及的項目在飛機上的安 裝數量；R為人工工時費率；T為 每個任 務 的 接 近 時 間；T為 維 修 時 間；C為 材 料成本。

（2）非計劃維修

相對于計劃維護任務，非計劃維護任務呈現出明顯的離散性，缺少固定的門檻值和檢查間隔，導致非計劃維護成本難以預計。分析非計劃維護的觸發條件發現，只有出現偶然事件時，才會執行非計劃維護任務。同時，在不同機體部位出現偶然事件，所執行的非計劃維護任務是不同的，例如：當發動機發生鳥擊時，并不需要執行檢查雷達罩的維護任務。因此，可以通過大數據統計偶然事件的發生概率以及偶然事件對不同機體結構的影響程度，計算在服役期內的維護頻次，從而實現非計劃維護成本的預計。

為解決飛機結構非計劃維護成本預計困難的問題，在計劃維護模型的基礎上引入概率系數矩陣、改進維護頻次的計算方法，用以衡量在飛機服役期內每飛行小時的平均非計劃維護頻次。以此建立非計劃維護項目的DMC預計模型：

式中：K為概率系數矩陣；F為頻次矩陣；Q為數量矩陣；H為人工成本矩陣；M為材料成本矩陣。

式（6）中的各矩陣由下列公式求解：

式中：q為偶然事件對所研究對象的影響程度；P為每個偶然事件的發生概率；U為飛機在服役期間飛行循環與飛行小時的比值。

1.3 DMC預計模型的數據流

基于MSG-3的計劃維護DMC預計模型的數據傳遞過程如圖2所示，非計劃維護DMC預計模型的數據傳遞過程如圖3所示。

圖2 計劃維護DMC預計模型數據流Fig.2 Data flow of scheduled maintenance DMC model

圖3 非計劃維護DMC預計模型數據流Fig.3 Data flow of unscheduled maintenance DMC model

計劃維護DMC預計模型的主要輸入為MSG-3中的FD分析和ED分析、結構設計參數。該模型通過門檻值、檢查間隔和飛機利用率計算在服役期內的維護頻次，并根據檢查方法開展維護 任 務 分 析（Maintenance Task Analysis，簡 稱MTA），計算當前市場情況下產生的材料費（可沒有）和工時費；根據各輸入參數，采用式（1）計算計劃維護的DMC。

相對計劃維護，非計劃維護DMC預計模型輸入較多，主要為偶然事件統計概率、AD分析和結構設計參數。其中，概率系數矩陣直接由偶然事件對部件的影響程度確定，在服役期內的維護頻次根據偶然事件的發生概率和飛行循環與飛行小時的比值進行計算，其余參數計算過程與計劃維護一致。

2 襟翼下沉鉸鏈機構維護成本分析流程

本文預計方法包括損傷容限分析、MSG-3分析和維護成本預計3個部分，如圖4所示。首先，根據結構幾何參數和材料屬性進行DTA，為后續分析提供裂紋擴展數據和檢查維護要求。然后，基于DTA提供的裂紋擴展壽命和裂紋擴展路徑開展MSG-3分析，通過疲勞損傷分析、環境退化分析和偶然損傷分析制定滿足DTA門檻值要求和檢查間隔要求的維護方案，同時由MTA報告將門檻值、檢查間隔和維護時間等數據輸入到DMC預計模型。最后，考慮在市場情況下的人工成本和材料費用，根據維護任務的不同應用DMC預計模型實現機構的維護成本預計。

圖4 襟翼下沉鉸鏈機構維護成本分析流程Fig.4 Maintenance cost analysis process of flap sinking hinge mechanism

3 案例分析

根據損傷容限分析結果，通過具體機型襟翼下沉鉸鏈機構在服役期內的維護成本預計，驗證所提方法的可行性和有效性。具體機型的襟翼下沉鉸鏈機構如圖5所示，由支臂雙耳、搖臂單耳和銷軸結構組成。當前下沉鉸鏈的軸承一般選用自潤滑軸承，本文不對其維護成本進行討論。搖臂單耳結構為鋁合金，耳片材料采用7050-T7451；支臂雙耳結構為鈦合金，耳片材料采用Ti-6Al-4V；銷軸結構采用PH13-8Mo。

圖5 襟翼下沉鉸鏈機構Fig.5 Flap sinking hinge mechanism

3.1 損傷容限結果

基于襟翼下沉鉸鏈機構的結構參數和材料屬性，通過Abaqus聯合Franc3D的損傷容限仿真分析，得到襟翼下沉鉸鏈機構各結構的裂紋擴展壽命，如圖6所示，其中FC為飛行循環數。

圖6 各結構的裂紋擴展壽命Fig.6 Crack growth life of each structure

支臂雙耳裂紋擴展壽命為3 811 709 FC，搖臂單耳裂紋擴展壽命為4 528 327 FC，銷軸結構裂紋擴展壽命為1 168 804 FC。為保證機體結構安全，在滿足結構安全系數為2的情況下，確定各結構檢查的門檻值和檢查間隔要求，如表2所示。

表2 門檻值和檢查間隔要求Table 2 Threshold and interval requirements

3.2 襟翼下沉鉸鏈機構的MSG-3分析

表2中給出了門檻值和檢查間隔的安全限制邊界，經MSG-3分析確定的門檻值和檢查間隔都不能超過該限制。根據1.2節闡述的MSG-3分析法，確定襟翼下沉鉸鏈機構FD、ED和AD的維護任務具體要求。

基于各結構的裂紋擴展壽命，結合該機型的C檢4 800 FC、D檢24 000 FC，確定FD檢查的門檻值為D檢，檢查間隔為3C檢（14 400 FC）。裂紋擴展路徑如圖7所示。

圖7 裂紋擴展路徑Fig.7 Crack growth path

從圖7可以看出：裂紋（在圖7中用紅色進行標注）會被結構遮擋導致無法直接通過目視觀察到。為確保裂紋在規定的剩余強度范圍內可被檢出，所有結構均采用特別詳細檢查（Special Detailed Inspection，簡 稱SDI），即 離 位 的 滲 透 檢查法。

分析襟翼下沉鉸鏈機構的工作環境和所在位置發現，該機構位于機翼后緣部位，屬于偶然事件頻發區域，受腐蝕、環境的影響很小，因此襟翼下沉鉸鏈機構只需要在發生偶然事件時進行AD檢查，忽略ED造成的影響。根據MSG-3進行ADR評估，確定各結構的檢查任務，具體分析過程如表3所示，其中GVI（General Visual Inspection）為一般目視檢查，DET（Detail Inspection）為詳細目視檢查，從表3可以看出：支臂雙耳和搖臂單耳ADR為6，可見性較好，采用GVI進行結構檢查；而銷軸結構被耳片結構遮擋導致GVI不適用，采用DET進行結構檢查。然而，AD的隨機性和概率性導致檢查的周期和頻次并不固定，使得維護成本也難以精確預計。為解決該問題，本文提出非計劃維護任務的DMC預計模型，通過建立偶然事件與檢查頻次之間的聯系，衡量在飛機服役期內的檢查頻次。非計劃維護任務的DMC預計模型的數據輸入如表4所示，其中，偶然事件發生次數和發生概率來自2015年《中國民用航空安全信息統計分析報告》；影響程度按該偶然事件影響部位統計結果給出，例如鳥擊的影響程度來自2015年《鳥擊航空器信息分析報告》。

表3 MSG-3分析過程Table 3 Analysis process of MSG-3

表4 偶然事件的發生概率和影響程度Table 4 Occurrence probability and influence degree of accidental events

3.3 DMC預計

根據上述對襟翼下沉鉸鏈機構維護任務的分析，整理匯總得到MTA報告，如表5所示，其中，接近時間和檢查時間參考相關機型AMM（Aircraft Maintenance Manual）的操作程序和工程實踐確定。同時，考慮到不同的檢查任務間有著重復的接近時間，對能夠同時接近的檢查任務進行整合，以符合工程實際。

表5 結構檢查任務匯總表Table 5 Summary of structural inspection tasks

基于表5給出的詳細信息，襟翼下沉鉸鏈機構的DMC按照式（1）～式（8），結合飛機的設計參數進行計算。DMC預計結果匯總如表6所示，在本案例中，只計算一個襟翼下沉鉸鏈機構的維護成本。根據國內市場慣例，取SDI人工工時費率為80美元/小時，材料費取20美元；GVI和DET的費率為60美元/小時，原位維修不消耗材料。

表6 維護成本預計結果匯總Table 6 Summary of maintenance cost prediction

飛機設計參數：

（1）在服役期間，飛機的年利用率為3 000飛行小時/年；

（2）飛行循環和飛行小時比為1∶1；

（3）飛機設計生命周期為60 000 FC。

從表6可以看出：AD檢查的維護成本費用已經占到了總費用的14.21%。顯然，在實際運營過程中，不能忽略AD檢查產生的維護成本。

采用本文所建立的基于MSG-3的DMC模型進行預計，得到的預計結果對比如圖8所示。預計結果與文獻［25］中提出的改進Liebeck模型以及實際值進行對比，從圖8可以看出：采用本文所提方法的模型預計準確度提高了24.69%，證明該方法更加貼近運營實際。

圖8 預計結果對比Fig.8 Comparison of prediction results

4 結論

（1）針對民用飛機襟翼下沉鉸鏈機構維護成本預計與實際運營差距較大的情況，本文基于MSG-3分析法提出了一種針對飛機結構維護成本的預計方法，相對其他方法更加方便快捷、更加貼近運營實際。

（2）在實際運營過程中，非計劃維護成本在DMC中占據一定比例，尤其是對于機翼、尾翼和雷達罩等結構，非計劃維護成本甚至成為DMC的主要部分。因此，能否忽略非計劃維護成本需要分析離散性損傷源的發生概率及其對研究對象的影響程度。

（3）針對非計劃維護成本被忽略的情況，本文制定了ADR和EDR等級評定的量化標準，引入概率系數矩陣并改進了頻次矩陣的計算方法，實現了計劃維護成本和非計劃維護成本的客戶化預計。

（4）本文提供了一種在缺少維護方案的情況下，以損傷容限分析結果為基礎，應用MSG-3分析法為維護成本分析提供基礎數據的思路。