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作者与期刊信息
本文由Min Liao⁎、Guillaume Renaud 和 Yan Bombardier 撰写，他们隶属于加拿大国家研究委员会（National Research Council Canada, NRC）航空航天研究中心。文章发表于《Engineering Fracture Mechanics》期刊，出版时间为2020年。
主题概述
本文探讨了数字孪生技术（Digital Twin, DTW）和数字线程（Digital Thread, DTH）在航空结构生命周期管理中的应用潜力，特别是针对加拿大皇家空军（Royal Canadian Air Force, RCAF）机队的适用性评估和技术演示。文章详细回顾了美国空军（USAF）开发的机身数字孪生（Airframe Digital Twin, ADT）框架，并对其在RCAF机队中的可行性进行了分析。此外，文章还介绍了NRC在ADT技术开发中的最新进展，包括贝叶斯更新算法和基于CF-188全尺寸组件测试的技术演示案例。
数字孪生技术是一种通过集成多物理场、多尺度、概率模拟来反映实际系统性能、安全性和可靠性的数字化工具。DTH则是一种贯穿设计、制造、运营和维护全过程的数据链，为DTW提供了数据基础。
- 支持证据：Lockheed-Martin Aeronautics（LMA）利用DTH技术开发了F-35联合攻击战斗机，展示了其在新世代飞机制造中的应用价值。
- 子观点：DTW和DTH结合可以显著降低生命周期成本，同时提高飞机的可用性和安全性。例如，通过实时更新虚拟模型，可以更准确地预测剩余使用寿命（Remaining Useful Life, RUL）。
USAF提出的ADT框架基于概率和预测性个体飞机跟踪（P2IAT）方法，旨在改进传统的个体飞机跟踪（Individual Aircraft Tracking, IAT）程序。
- 支持理论：ADT通过量化和更新不确定性参数（如飞机使用情况、几何形状、材料属性等），提高了疲劳寿命评估的准确性。
- 子观点：ADT框架采用贝叶斯更新算法，能够根据新数据动态调整模型，从而减少疲劳寿命预测中的不确定性。
- 支持证据：研究表明，随着DTH/DTW技术的成熟，其投资回报率将逐步增加，并为服务寿命评估计划（SLAP）和服务寿命延长计划（SLEP）带来显著收益。
RCAF目前采用的是基于确定性方法的IAT系统，尽管积累了大量历史数据（如应变传感器和飞行参数），但在精度和风险相关性方面存在不足。
- 支持证据：通过对RCAF的CF-188 Hornet、CP-140 Aurora和CC-130 Hercules三款主力机型的IAT系统进行调查，发现现有系统在高频率负载监测和关键位置应力解析方面表现有限。
- 子观点：ADT框架可以通过引入概率方法改进现有的IAT系统，从而实现更精确的疲劳寿命估算和风险管理。
NRC在ADT技术开发中取得了多项重要进展，包括贝叶斯更新算法的开发和基于CF-188全尺寸组件测试的技术演示案例。
- 支持理论：贝叶斯更新算法能够有效整合新数据，减少初始裂纹尺寸分布的假设偏差，从而提高疲劳裂纹增长预测的准确性。
- 子观点：NRC开发的CANGROW和PRODTA工具可扩展用于ADT框架，以支持多点损伤（MSD）和多元素损伤（MED）场景下的损伤容限分析和风险评估。
- 支持证据：通过CF-188内侧前缘襟翼（ILEF）全尺寸疲劳试验，验证了ADT框架在实际应用中的可行性和潜在效益。
ADT技术的应用不仅能够优化现有机队的维护计划，还能为未来机队提供高保真的数字化生命周期管理工具。
- 支持证据：短期内，ADT可以改进IAT系统的精度和风险相关性，从而优化结构寿命管理；长期内，ADT有望显著降低总拥有成本（Total Ownership Cost, TOC），并为新一代飞机的设计和维护提供革命性支持。
- 子观点：随着DTH/DTW技术的普及，未来的航空结构管理将更加智能化和高效化。
本文全面评估了ADT框架在RCAF机队中的适用性，并提出了具体的实施路径和技术建议。其科学价值在于推动了航空结构管理领域从传统确定性方法向概率性方法的转变，为疲劳寿命预测和风险评估提供了新的理论支持。其应用价值体现在以下几个方面：
1. 提高现有IAT系统的精度和可靠性，从而优化维护计划并降低成本；
2. 为RCAF机队的结构寿命延长计划提供技术支持；
3. 为未来新一代飞机的设计和维护奠定数字化基础。
此外，本文还强调了跨机构合作的重要性，指出通过与工业界、大学和其他研究机构的合作，可以进一步推动ADT技术的发展和应用。总体而言，本文为航空领域的研究人员和工程师提供了一份宝贵的参考资料，具有重要的学术和实践意义。