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【6h】

面向单元体的航空发动机健康状态评估与预测方法研究

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目录

摘要

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 系统健康管理

1.3 发动机健康管理研究综述

1.3.1 国外研究现状与趋势

1.3.2 国内研究现状与不足

1.4 论文研究问题的提出

1.5 论文结构及章节安排

第二章 基于性能参数的气路部件故障早期预警方法研究

2.1 引言

2.2 气路性能参数监控的贝叶斯因子法

2.2.1 动态线性模型

2.2.2 贝叶斯推理与模型监控

2.2.3 仿真实验

2.3 基于多元状态估计技术的发动机基线模型挖掘

2.3.1 发动机性能参数基线模型

2.3.2 多元状态估计技术

2.3.3 基于MSET的个性化性能基线模型挖掘

2.3.4 仿真实验

2.4 本章小结

第三章 尾气静电信号基线模型的挖掘及其在气路状态监控中的应用研究

3.1 引言

3.2 发动机气路静电监测技术

3.2.1 气路故障静电监测原理

3.2.2 尾气静电感应信号

3.3 尾气静电信号基线成分及影响因素分析

3.3.1 碳烟颗粒物的生成及影响因素

3.3.2 发动机尾气颗粒物排放特性

3.4 故障颗粒物的生成及对尾气静电信号的影响

3.4.1 燃烧类故障

3.4.2 机械类故障

3.5 尾气静电信号基线模型的挖掘与应用

3.5.1 尾气静电监测实验介绍

3.5.2 基于燃油流量单参数的基线模型挖掘

3.5.3 基于多参数的基线模型挖掘

3.6 本章小结

第四章 考虑性能缓慢退化情况下单元体健康状态评估方法研究

4.1 引言

4.2 基于模型的气路分析

4.2.1 基于线性模型的气路分析

4.2.2 基于非线性模型的气路分析

4.3 基于非线性自适应模型的气路分析

4.3.1 非线性自适应·陛能模型

4.3.2 目标函数构建与优化算法

4.4 多部件故障诊断的排除法

4.4.1 单部件故障隔离

4.4.2 故障定量评估

4.4.3 多部件故障隔离的排除法

4.4.4 排除法的进一步讨论

4.5 考虑性能退化情况下单元体健康参数估计

4.5.1 故障模拟

4.5.2 不考虑性能退化的情况

4.5.3 考虑性能退化的情况

4.6 本章小结

第五章 基于贝叶斯网络多源信息融合的单元体健康状态评估方法研究

5.1 引言

5.2 气路分析的贝叶斯方法

5.2.1 贝叶斯网络及推理

5.2.2 用于气路分析的贝叶斯网络模型

5.2.3 健康参数后验分布估计

5.3 基于贝叶斯网络的多源诊断信息的融合

5.3.1 气路分析贝叶斯网络模型的改进

5.3.2 基于故障模式先验概率表的信息融合机制

5.3.3 基于健康参数先验分布的信息融合机制

5.4 仿真实验与分析

5.4.1 涡扇发动机气路分析贝叶斯网络模型

5.4.2 不考虑信息融合

5.4.3 其他诊断信息的融合

5.5 本章小结

第六章 基于状态空间退化模型的剩余寿命预测方法研究

6.1 引言

6.2 剩余寿命预测建模

6.2.1 基于系统运行环境/载荷参数的建模方法

6.2.2 基于系统性能/状态参数的建模方法

6.3 剩余寿命预测的状态空间模型法

6.3.1 状态空间退化模型

6.3.2 退化状态估计

6.3.3 退化状态预测

6.3.4 失效时间分布估计

6.4 状态空间模型法在气路部件健康状态预测中的应用

6.4.1 基于EGTM的气路性能退化预测及可靠性评估

6.4.2 基于健康指数的气路部件健康状态估计与预测

6.4.3 监测数据与物理失效模型融合的裂纹扩展剩余寿命预测

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要工作和创新点

7.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

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摘要

随着我国民航机队规模的不断扩大,民航安全形势和压力越来越严峻,新一代航空运输系统也对行业提出了“安全关口前移”和“持续安全”的发展目标,民航发动机的安全和成本效益问题是亟待研究的重大问题。国内航空产业领域,新一代国产军用和民用发动机均对发动机健康管理(EHM)提出了需求。因此,无论从我国民航业工程应用需要,还是从国产发动机EHM系统的研究开发的角度出发,亟需在EHM基础理论、关键技术等方面开展相关研究。
  本文在充分研究了EHM概念和技术架构、理清了关键技术的发展现状及趋势的基础上,结合国内在发动机健康管理工程实践中存在的问题与不足,以气路部件为对象,分别在气路部件状态监控、单元体健康状态评估及剩余寿命预测建模三个方面展开了深入研究,一方面可为提高我国民航发动机的健康管理水平提供可行的方法和技术,另一方面也可借鉴民航发动机健康管理领域成熟的技术和方法为国产发动机EHM系统的开发提供技术储备。论文主要工作如下:
  (1)气路部件状态监控方面:
  在挖掘现有的气路监控技术的潜力方面,针对性能参数偏差值离散度大、故障特征容易被噪声淹没的问题,提出了基于贝叶斯因子的性能参数偏差值序列监控方法,以从含有噪声的偏差值序列中及时识别异常,提前故障征兆发现的时机;针对“一般”基线模型难以准确反映实际运行环境下个体发动机的特性的问题,提出了基于多元状态估计技术的“个性化”基线模型的挖掘方法,依据发动机实测数据建立起的“个性化”基线模型能更准确的特定发动机的特性,因此,能够更准确地计算出性能参数的偏差量,有利于提前故障征兆的发现时机。在新型气路监测技术方面,把尾气静电信号作为一种新的气路状态参数,提出了基于燃油流量单参数的和基于多元状态估计技术的多参数尾气静电信号基线模型挖掘方法。在建立起尾气静电信号的基线模型后,通过实时监控尾气静电信号RMS值与基线值的偏差,实现对气路部件状态的实时监控,提前故障征兆的发现时机。
  (2)面向单元体的气路部件健康状态评估方面:
  研究了航线条件下基于非线性自适应性能模型的单元体健康状态评估方法。考虑到外场条件下可测气路参数少于待估计的健康参数以及测量噪声的影响,将复杂的健康参数的求解问题转换为一个寻优问题,提出了基于排除法的故障隔离—评估方法,通过排除健康单元体把待估计参数维数降低到低于可测气路参数;针对实际外场使用中各单元体不可避免的发生缓慢的性能退化的问题,提出了考虑性能缓慢退化情况下的单元体健康参数的估计方法,首先通过跟踪各单元体的缓慢性能退化,得到故障前各单元体的实际退化状态,进而在故障隔离与评估时考虑进其影响以提高单元体健康参数估计的精度。针对气路可测参数有限、信息源单一的问题,提出了基于贝叶斯网络多源诊断信息融合的气路分析技术:以常规气路可测参数为主,定性诊断信息借助故障模式先验概率表引进,而定量信息的引入则借助健康参数的先验分布实现,由贝叶斯网络实现信息融合,提高单元体健康参数估计的准确度和精度。
  (3)健康状态与剩余寿命预测建模方法研究:
  针对实际运行环境下个体系统的剩余寿命预测问题,提出了基于状态空间退化模型和贝叶斯估计理论的使用可靠性评估与剩余寿命预测方法。以发动机排气温度裕度作为表征气路部件性能衰退的退化参数,由线性高斯状态空间模型来描述性能退化轨迹,利用共轭先验贝叶斯推理估计并预测退化状态。状态空间模型区分带有噪声的观测量与系统真实的退化状态,更加符合实际情况。此外,状态空间模型不需要对退化轨迹做平稳性假设,这使得模型便于处理因维修、故障等因素而引起的性能突变。考虑到仅用单参数难以全面地表征系统健康状况的问题,提出了通过融合多个性能参数得到系统的健康指数来表征气路部件健康状态,进而建立基于系统健康指数的状态空间退化模型,用于预测其健康状态退化趋势及剩余寿命。针对关键件的裂纹扩展这一典型的失效模式,提出了物理失效模型和检测/监测数据相融合的剩余寿命预测方法,根据其物理失效模型建立起状态空间形式的裂纹扩展模型,借助贝叶斯理论融合外场检测/监测信息,通过不断融合新的观测信息可降低剩余寿命预测的不确定性,为关键件延寿或视情维修提供辅助决策。

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