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数智化是航空动力的新时代引擎:航空发动机的大数据与反向工程案例解析

信息来源:www.whfangyou.com   2022-01-19 15:13:04

“进入新时代,以5G、人工智能、大数据、云计算等新技术为代表的新一轮科技革命蓬勃发展,如何确立互利共赢、绿色发展的新思维,形成开放合作、创新共享的新业态,探索集约发展、交融互通的新模式,航空业的发展需要我们重新思考。”在9月27日举行的2021珠海论坛主论坛上,中国航发总经理、党组副书记李方勇作了题为《变革驱动发展 创新成就梦想 让数智化成为航空动力新时代引擎》的主题发言。

大数据与反向工程运作思维,怎样运用在航空发动机工业发展中?

一、利用大数据辅助反向工程的两个重要因素

1)数据的数量与涵盖面。包括设计、材料、制造、分析、测试、验证、运行到维护在全生命周期内产生的所有数据。
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图 1 航空发动机大数据架构
2)反向运作的程序。从如何收集数据、如何过滤、如何分类、如何整合、如何分析、如何比较到如何验证的整个流程。
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图 2 反向运作流程

二、案例分析

在2001年1月31日的墨尔本国际机场,一架波音777-300客机在起飞的过程中引擎发生了,之后客机终止起飞,并紧急疏散乘客,所幸事故没有造成人员伤亡。经过调查人员现场勘查发现,该事故是由于发动机风扇叶片飞出引起的。
该引擎为罗罗公司的瑞达892型发动机,发动机风扇是钛合金宽弦叶片,从事故的勘测图(如图3)中可以看出,有一个风扇叶片从它的榫头处完全断掉,而与其相邻的一个叶片的上半部分也被完全“砍掉”了,剩余的风扇叶片顶部和尾缘也遭受了很严重的破坏。
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图 3 波音777-300风扇叶片损坏图

三、寻找事故原因,收集数据与反向运作

(1)收集运行大数据,并进行分类整合
因为事故是在飞机运行的时候发生的,所以我们首先要收集航空公司的运行大数据(如图4)。航空公司地面维护记录、运行记录、制造与装配记录等是分析事故原因的重要数据来源。利用这些数据,我们可以对部分问题进行解答。
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图 4 机队管理大数据
(2)研究分析
航空公司数据的分析帮助我们排除了一些事故发生的原因:
运行记录数据显示,飞行员起飞时操作符合规范,也就是说,这起事故并不是由于人员操作失误引起的;
当天墨尔本的天气状况良好,不具备引发引擎这样严重事故的环境条件;
而适航认证文件显示,该引擎达到了所有适航认证的要求,并且已经在该飞机上运行了5765个小时,完成了总共907次飞行;
维修保养的数据中,也没有关于风扇叶片或其附件存在缺陷或进行过维修保养的记录;
根据同类型发动机的运行记录数据,我们可以发现这是该款引擎次发生风扇叶片飞出的事故。
所以,我们可以确定这起事故并不在适航认证控制的范围之内,是一起偶发型事故。(如图5)。
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图 5 偶发型事故的发生情况示意图
那么,事故的根本原因到底是什么?如图6所示,排除其他原因之后,我们可以确定,事故是由于机械失效引起的,而机械失效则与外物损伤、循环疲劳和部件缺陷等有关。
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图 6 引擎失效根本原因寻找流程
(3)确定关键质量要素与根本原因
缩小事故根本原因的范围之后,我们需要再对事故进行更深入的调查,数据的获取来源也从航空公司及维护维修工厂变成了引擎的原始设备制造商。
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图 9 叶片榫头磨损图
我们已经知道,风扇叶片榫头处的高应力、磨损及裂纹拓展等,导致了其终断裂。经过进一步的分析,调查人员确定,事故是由叶片设计缺陷引起。设计缺陷导致叶片榫头在运行过程中出现了滑移,并使其受力不均,出现磨损与内部裂纹等问题,终导致叶片断裂失效。
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图 10 事故偏差图
终,调查人员对该事故作出了结论:叶片的飞出是由于其根部疲劳裂纹的产生与发展造成的。
由于该客机长时间在干、热的环境中运行,而在这种环境下运行意味着引擎需要在高功率情况下运行更长的时间,以满足飞行需求,加上根部设计不当引起的不平衡应力,导致疲劳裂纹的逐步发展。
根部不平衡的应力起源于叶片根部与轮盘之间干膜润滑剂的破坏,润滑剂的破坏使得叶片根部表面损伤与微焊接损伤逐步累积、扩大,终造成了破坏。而为了避免事故的再次发生,需要对引擎风扇叶片设计进行修改。
至此,我们已经经历了一个完整的事故分析流程,它实际上就是反向工程运作的过程。从这起事故中获取到的信息可以作为我国研发发动机风扇叶片设计与制造的经验与教训,但更重要的是,将反向工程运作的思维应用到航空制造领域之中。

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