作者：John W. Lincoln
机构：Aeronautical Systems Division, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio
期刊：Journal of Aircraft
发表时间：1985年8月（Vol.22, No.8）

背景介绍

本研究属于航空工程领域，聚焦于老化军用飞机结构的安全性问题，尤其是疲劳裂纹及其对飞行可靠性的威胁。在20世纪70年代，美国空军（USAF）从传统的“可靠性方法”（Reliability Method）转向了“损伤容限方法”（Damage Tolerance Method），根据特定的材料和应力值设计定期检测。然而，这种方法的某些假设，如裂纹检测的概率阈值，仅基于数学模型和实验室条件，存在一定的随意性，尤其是0.9的裂纹检测概率是否足以确保安全一直没有明确的答案。

随着老龄教练机在飞行任务和负载环境的改变，例如在20世纪70年代末任务变化导致负载环境明显加剧，其传统检测频率是否适用成为疑问。为解决这一问题，作者提出了一种基于概率的风险评估方法（Risk Assessment Method），用于评估单次飞行和长期飞行的失败概率，以进一步验证检测间隔的合理性。

研究目的与意义

本研究旨在通过针对某型老龄军用教练机的翼结构的风险分析，验证现行USAF损伤容限检测标准（如0.9的检测概率）是否足以保护飞行安全，同时探讨检测间隔增加是否经济合理。本研究创新性地使用风险评估方法，结合裂纹与应力概率分布，分析飞行任务和飞机整体的失效概率，为老龄飞机的维修与操作决策提供依据。

方法流程

1. 输入数据收集
   为进行风险评估分析，需要以下主要数据项：

   • 裂纹群体分布：通过拆解19架退役教练机的机翼，进行疲劳裂纹检测以获取裂纹群体分布数据。在每架机翼的大约100个关键区域中，共发现25%的孔有裂纹，裂纹最大长度约为2.5 mm。这些数据经过标准化处理，统一参照为10,200飞行小时。
     
   • 应力概率分布：通过飞行加载调查和应力超出函数（stress exceedance function），计算每次单一飞行中关键部位超过特定应力值的累计概率。
     
   • 关键裂纹尺寸：利用裂纹生长分析软件，建立关键裂纹尺寸随应力变化的关系，结合疲劳裂纹生长模型，计算不同飞行时间的裂纹长度。
     
   • 检测的概率函数：引用文献数据，将现行超声波检测的“检测概率”（Probability of Detection，POD）与裂纹长度挂钩，以概率函数的完整形式应用于裂纹检测分析。

2. 风险评估计算流程

   • 裂纹分布分析：根据拆解数据，用Weibull分布拟合裂纹群体的累计概率分布，重点关注对风险贡献较大的大裂纹分布。
     
   • 应力概率函数推算：对飞行加载数据中的应力超出函数进行数值外推，确保覆盖到低概率极端值（约10^-6）。
     
   • 联合概率密度函数构建：结合裂纹长度与应力的概率密度函数，生成联合概率密度函数，并通过积分计算单次飞行失败概率（Single Flight Probability of Failure，P_f）。
     
   • 单飞机失效概率计算：逐次累积单次飞行失败概率，得出任意飞行小时后的单架飞机总体失效概率，同时评估不同检测间隔对概率变化的影响。

3. 检测间隔调整与仿真
   对比不同检测时间间隔下的裂纹动态增长与失效概率递增趋势，验证检测间隔从1350小时逐步缩短至430小时，以及进一步缩短至300小时对安全性的提升效果。

主要研究结果

1. 裂纹与应力数据分析

   • 拆解分析表明，对于19架机翼，裂纹分布表现出“两模式”特征：小裂纹与大裂纹的Weibull形状参数明显不同，其中大裂纹是主要的风险贡献者。
     
   • 应力数据的统计结果显示加载环境显著加剧，尤其是在新任务环境下，单次飞行超出设计应力的概率大幅增加。
     

2. 单次飞行失效概率
   原1350小时检测间隔在更严苛的应力条件下，单次飞行失效概率逐步升高，并在未到下次检测时达到不可接受的高值（约10^-3）。这揭示了传统检测频率难以适应新任务负载。

3. 缩短检测间隔后的风险变化

   • 缩短检测间隔至400小时使得单次飞行失效概率显著降低，但长期来看仍不可避免地导致高于10^-7的失效概率。同时，单架飞机的累计失效概率在较长时间后升至0.1以上，仍存较高风险。
     
   • 进一步缩短至300小时后，单架飞机的长期失效概率减少了约5倍，约为10^-2，与理论安全标准较一致，同时实现了显著的安全性改进。
     

4. 检测概率与替代标准的敏感性
   如果在现行POD=0.90的基础上，将敏感度稍微提升至POD=0.94，可减少裂纹失效的累积风险，保证较为理想的安全检测间隔。这一发现为适度提高检测能力提供了实际依据。

结论与意义

1. 结论
   本研究表明，在更严苛的载荷下，传统基于损伤容限标准的检测方案难以足够保护老龄教练机的飞行安全，尤其是检测概率为0.9时。为了适应高应力任务环境，检测间隔需显著减少至300-400小时范围。同时，通过提升检测能力，如采用POD=0.94的标准，可以在牺牲较少经济成本的情况下优化检测方案。

2. 科学意义
   本研究为老龄飞机的风险评估与安全决策提供了一种实用的新方法。结合裂纹与应力的概率分布，风险评估方法可以有效预测潜在失效并引导检测频率调整，这是传统“概率点设定方法”所不能实现的。它为拓展损伤容限方法的应用范围，尤其是在老龄飞机维护中的应用，提供了理论依据。

3. 工程价值
   通过分析，不仅验证了更短检测间隔的安全性，还提出提高POD标准作为减少检测间隔过于频繁的成本可接受解决方案。这为设计老龄飞机操作和维护计划、提升经济与安全效益提供了指导。

研究亮点

1. 创新方法
   风险评估方法的引入，是基于传统损伤容限分析的一种显著改进，融合了概率分析的理念，大幅提升了评估精度。

2. 实际意义强
   本研究解决了老龄教练机高应力环境下的安全性问题，适应性和实践参考价值明显。

3. 数据支持完备
   研究融合了高质量拆解数据、飞行加载统计以及多种概率模型，提供了严谨而全面的分析框架。