一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法及系统与流程

本发明涉及航空器材健康管理，具体涉及一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法及系统。

背景技术：

1、飞行训练设备中的航材种类较多，不同航材的失效原因存在差异。电子类航材通常受通电时间、环境温度和热循环影响；机械类航材通常受训练时长、操作频次和操作力度影响；消耗类航材通常受日常领用、季度检查、年度检查和库存变动影响；疲劳类航材通常受循环次数和应力幅值影响。现有航材管理方式多依赖维护人员经验、固定更换周期、历史平均消耗量或简单趋势外推来确定采购和维护安排，难以反映不同航材类别之间的退化机理差异。

2、在现有管理方式中，部分预测方法仅统计历史故障次数、平均消耗量或未来需求趋势，未将训练日志、操作事件、环境参数、维护更换记录、库存变动记录和台架试验记录统一纳入同一数据流进行处理。对于电子老化、机械磨损、季节性消耗和疲劳损伤等不同退化路径，若采用同一统计模型或单一阈值判断，容易造成航材退化程度和剩余寿命之间的关联不清。

3、航材管理还存在预测结果与管理动作衔接不足的问题。部分现有系统能够输出寿命数值或风险等级，但未进一步结合采购周期、库存数量和季节性消耗强度形成采购时间、采购数量、安全库存和维护动作。对于自修备件、自研替代备件或退役转用备件，若缺少针对其来源及实际使用状态的修正处理，航材状态评价结果也难以适配实际运行状态。

4、因此，本技术提供一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法及系统以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法及系统，用以解决现有技术中不同类别航材失效机理难以区分、多源设备运行数据难以统一参与退化计算以及剩余寿命预测难以适配不同航材退化机理的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法，包括：

3、获取待评估航材集合的航材类别和设备运行数据，所述设备运行数据包含训练日志、操作事件、环境参数、维护更换记录、库存变动记录和台架试验记录，并从所述设备运行数据提取待评估航材的通电时间、训练时长、操作频次、操作力度、季节消耗量、循环次数和应力幅值；

4、基于所述航材类别与电子类老化函数、机械类磨损函数、消耗类脉冲函数或疲劳类累积损伤函数之间的对应关系选择匹配的函数，并确定与各航材类别的历史故障数据变异程度对应的类别权重；

5、将所述通电时间和所述环境参数、所述训练时长和所述操作频次及所述操作力度、所述季节消耗量和所述库存变动记录、所述循环次数和所述应力幅值分别输入匹配的所选函数，得到类别退化量；

6、基于所述类别权重对所述类别退化量进行加权融合，得到总累积损伤量；

7、根据所述总累积损伤量与失效阈值确定健康度等级，并基于所述航材类别对应的所选函数预测达到对应阈值条件的剩余时间，得到剩余寿命。

8、在其中一些具体实施例中，所述类别退化量包括电子类损伤量，所述电子类损伤量基于所述电子类老化函数确定；

9、从所述训练日志读取所述通电时间，从所述环境参数读取驾驶舱绝对温度和热循环记录；

10、根据材料老化激活能、玻尔兹曼常数和所述驾驶舱绝对温度之间的热循环加速关系计算热循环加速因子；

11、将所述通电时间输入对数时间老化项，将所述热循环加速因子输入温度非线性项，并基于所述对数时间老化项和所述温度非线性项共同确定所述电子类损伤量；

12、由故障失效记录和删失运行记录构建似然函数，拟合威布尔形状参数和威布尔尺度参数，并将拟合得到的所述威布尔形状参数和所述威布尔尺度参数写入所述电子类老化函数。

13、在其中一些具体实施例中，所述类别退化量包括机械类损伤量，所述机械类损伤量基于所述机械类磨损函数确定；

14、从所述训练日志读取所述训练时长，从所述操作事件统计单位时间内的按键事件和旋转事件以形成所述操作频次，从压力传感器记录读取所述操作力度；

15、将所述训练时长输入时间幂次磨损项，将所述操作频次输入频次幂次磨损项，将所述操作力度输入对数冲击项；

16、基于所述时间幂次磨损项、所述频次幂次磨损项和所述对数冲击项共同表征的机械磨损关系，确定所述机械类损伤量。

17、在其中一些具体实施例中，所述类别退化量包括无量纲消耗风险量，所述无量纲消耗风险量基于所述消耗类脉冲函数输出的消耗类需求量确定；

18、从所述维护更换记录和所述库存变动记录读取基础消耗率和历史消耗月份；

19、将季度周期项、年度周期项和相位角作用于当前月份，形成季节脉冲强度；

20、基于损伤耦合系数将机械损伤累积函数耦合至所述季节脉冲强度，得到非齐次泊松强度；

21、基于所述非齐次泊松强度在预测时间窗口内的累积关系确定累积强度差值，并基于预设置信分位数和所述累积强度差值确定所述消耗类需求量；

22、根据所述库存变动记录中的当前库存、在途采购数量和安全库存确定所述预测时间窗口内的库存承载量，并基于所述消耗类需求量与所述库存承载量之间的归一化关系确定所述无量纲消耗风险量。

23、在其中一些具体实施例中，所述类别退化量包括疲劳类损伤量，所述疲劳类损伤量基于所述疲劳类累积损伤函数确定；

24、从所述操作事件中按载荷等级划分座椅移动事件和作动器伸缩事件，并统计每一载荷等级下的实际循环次数；

25、从所述台架试验记录读取每一载荷等级下的应力幅值，将所述应力幅值代入应力寿命曲线得到对应的失效循环次数；

26、基于各载荷等级下的所述实际循环次数和对应的所述失效循环次数之间的累积损伤关系，确定所述疲劳类损伤量。

27、在其中一些具体实施例中，所述类别权重的确定包括分别汇总各航材类别的历史故障间隔、历史退化量和历史需求增量；

28、对每一航材类别的汇总数据进行无量纲化处理，计算信息熵和差异系数；

29、基于各航材类别的差异系数之间的归一化关系确定总和等于一的类别权重；

30、当新增维护更换记录进入所述设备运行数据时，重新计算所述信息熵、所述差异系数和所述类别权重。

31、在其中一些具体实施例中，得到总累积损伤量之后，还包括：

32、将所述待评估航材映射到数字孪生体中的航材节点；

33、以第一同步周期写入训练状态、操作事件和环境参数，以第二同步周期写入维护更换记录和库存变动记录，以第三同步周期写入台架试验记录；

34、基于所述总累积损伤量与所述失效阈值之间的健康度映射关系确定健康度；

35、将所述健康度落入的阈值区间转换为健康、关注、警告或危险等级，并将转换得到的等级作为所述健康度等级写入所述数字孪生体中的航材节点。

36、在其中一些具体实施例中，得到健康度等级和剩余寿命之后，还包括：

37、当所述剩余寿命小于采购周期或所述健康度等级进入警告等级时，将当前日期确定为采购启动时间；

38、基于所述季节脉冲强度与采购提前期之间的库存需求关系确定安全库存；

39、基于设备数量对所述消耗类需求量进行规模修正，得到修正后的消耗类需求量；

40、基于所述修正后的消耗类需求量、所述安全库存和在库数量之间的库存缺口关系确定采购数量；

41、当所述健康度等级分别为健康、关注、警告或危险时，分别将常规巡检、增加巡检、提前备库或立即更换确定为维护动作；

42、将所述采购启动时间、所述采购数量、所述安全库存和所述维护动作写入航材管理输出结果。

43、在其中一些具体实施例中，所述设备运行数据还包括替代备件记录和退役备件转用记录；

44、当所述待评估航材为自修备件、自研替代备件或退役转用备件时，从所述替代备件记录和所述退役备件转用记录读取来源类型、装机时长、试验载荷和故障记录；

45、确定与所述来源类型对应的参数折减系数，基于所述参数折减系数对所述失效阈值进行折减得到修正失效阈值，并以所述修正失效阈值替代所述失效阈值；

46、将所述装机时长、所述试验载荷和所述故障记录作为匹配的所选函数的附加输入，对所述类别退化量进行修正，得到修正后的类别退化量。

47、基于同一构思，本发明还提供一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测系统，包括：

48、数据获取与提取模块，配置为获取待评估航材集合的航材类别和设备运行数据，所述设备运行数据包含训练日志、操作事件、环境参数、维护更换记录、库存变动记录和台架试验记录，并从所述设备运行数据提取待评估航材的通电时间、训练时长、操作频次、操作力度、季节消耗量、循环次数和应力幅值；

49、类别匹配模块，配置为基于所述航材类别与电子类老化函数、机械类磨损函数、消耗类脉冲函数或疲劳类累积损伤函数之间的对应关系选择匹配的函数，并确定与各航材类别的历史故障数据变异程度对应的类别权重；

50、退化计算模块，配置为将所述通电时间和所述环境参数、所述训练时长和所述操作频次及所述操作力度、所述季节消耗量和所述库存变动记录、所述循环次数和所述应力幅值分别输入匹配的所选函数，得到类别退化量；

51、损伤组合模块，配置为基于所述类别权重对所述类别退化量进行加权融合，得到总累积损伤量；

52、健康寿命预测模块，配置为根据所述总累积损伤量与失效阈值确定健康度等级，并基于所述航材类别对应的所选函数预测达到对应阈值条件的剩余时间，得到剩余寿命。

53、与现有技术相比，其有益效果在于：

54、本发明公开了一种基于多物理场耦合的航材退化建模与剩余寿命预测方法及系统，获取待评估航材集合的航材类别和设备运行数据，并从训练日志、操作事件、环境参数、维护更换记录、库存变动记录和台架试验记录中提取通电时间、训练时长、操作频次、操作力度、季节消耗量、循环次数和应力幅值，能够将分散在运行侧、维护侧、库存侧和试验侧的数据纳入同一退化建模数据流，减少单一经验判断或单一历史消耗统计对航材状态评估造成的局限。

55、基于航材类别与电子类老化函数、机械类磨损函数、消耗类脉冲函数或疲劳类累积损伤函数之间的对应关系选择匹配的函数，能够使不同类别航材进入与退化机理相匹配的计算路径。电子类航材的通电时间和环境参数进入老化计算，机械类航材的训练时长、操作频次和操作力度进入磨损计算，消耗类航材的季节消耗量和库存变动记录进入脉冲需求计算，疲劳类航材的循环次数和应力幅值进入累积疲劳损伤计算，由此能够形成与航材物理退化来源相对应的类别退化量。

56、根据历史故障数据变异程度确定类别权重，并在新增维护更换记录进入设备运行数据时重新计算信息熵、差异系数和类别权重，类别权重能够随历史故障间隔、历史退化量和历史需求增量的变化而更新。该处理使电子类损伤量、机械类损伤量、无量纲消耗风险量和疲劳类损伤量能够通过加权方式形成总累积损伤量，便于在统一损伤框架下比较不同航材的健康状态和处置优先级。

57、根据总累积损伤量与失效阈值确定健康度等级，并基于航材类别对应的所选函数预测达到对应阈值条件的剩余时间，得到剩余寿命，同时将待评估航材映射到数字孪生体中的航材节点，再按照不同同步周期写入训练状态、操作事件、环境参数、维护更换记录、库存变动记录和台架试验记录，能够在航材节点上持续更新健康度等级和剩余寿命，使航材状态评估与设备运行数据保持同步衔接。

58、在得到健康度等级和剩余寿命之后，还可以进一步形成航材管理输出结果。当剩余寿命小于采购周期或健康度等级进入警告等级时，采购启动时间、采购数量和安全库存可以根据消耗类需求量、设备数量、在库数量、季节脉冲强度和采购提前期确定，维护动作可以根据健康度等级确定，从而形成从退化计算到采购、库存和维护的闭环输出。

59、针对自修备件、自研替代备件或退役转用备件读取来源类型、装机时长、试验载荷和故障记录，并根据来源类型确定参数折减系数，对失效阈值进行折减得到修正失效阈值，再将装机时长、试验载荷和故障记录作为匹配的所选函数的附加输入对类别退化量进行修正，能够对非常规来源航材形成修正后的退化评价结果，便于在原厂备件不足、替代备件使用或退役航材转用等场景下继续执行统一的航材退化评估和管理输出。