基于层次分析和二元语义的飞机结构安全评价研究_卢晓帆.pdf

第 卷第 期 数学的实践与认识年 月基于层次分析和二元语义的飞机结构安全评价研究卢晓帆 、 王 强 、 王 瑛 、 张 兵空军工程大学 装备管理与安全工程学院， 陕西 西安厂代表室， 贵州 安顺摘 要： 针对当前飞机结构的设计要求 ， 建立了 飞机结构安全的评价模型指标集， 利用 方法提炼 出 大类 ， 项具体指标， 并确定指标权重， 采用二元语义及其算子将评价语言值进行集结 ， 对飞机结构安全进行评价 给出 了 评价步骤， 并用实例说明该方法具有一定 的可操作性， 且合理可信关键词： 层次分析法； 二元语义；群决策 ； 飞机结构安全； 安全评价引言结构安全是飞机实现其功能， 完成各项任务的基础 结构安全性的评估是飞机安全性评估的一个重要方面 飞机结构是一个安全性关键系统，通常包括机身、 机翼、 尾翼、 起落架、蒙皮、 发动机部件等 飞机结构的安全性， 可以定义为飞机结构在规定的使用条件和使用环境下不发生灾难性破坏的能力 其设计思想已从最初的只考虑静强度设计准则发展到最近的经济寿命 损伤容限阶段⑴在实际设计中， 因为设计方案的不同， 在安全性设计时， 各方案侧重也不同， 而结构安全的选择 主要考虑的是使安全性最大化 在结构安全的评价上， 国内已经有学者 ⑵ 从临界结构入手， 提出了定性与定量结合的结构安全综合评估方法 在指标体系方面， 国内现行国军标和适航条例的基础上， 已经有了保证结构完整性 的安全性指标体系本文在分析飞机结构安全性本质的基础上， 从四个方面提出飞机结构安全性的评估指标通过专家调研得到 方法的判断矩阵， 并计算各指标权重； 而后将权重系数带入到二元语义方法及其 算子中， 对同一专家的多个指标值进行集结； 再通过 算子将不同专家同一方案的抬标值进行集结， 确定设计方法的安全评价等级 计算得出不同结构设计方案的安全等级， 从而达到在方案中选优的目的飞机结构安全综合评价体系层次分析法 （是 世纪 年代提出的一种数学建模方法 它是对多 目标、 多准则、 多因素、 多层次复杂问题进行决策分析、 综合评价的一种简单、 实用而有效的方法， 是一种定性和定世相结合的系统分析方法 叱 其基本思想是， 有 个待评论指标， 邀请专家通过两两比较进收稿日期：资助项目： 国家自然科学基金 “基于结构本质安全的复杂系统组元作用机理研究”（1 1 0数 学的 实 践 与 认识 卷行打分根据矩阵标度构造判断矩阵表 飞机结构安全评价镆型指标集机结构安全 安全系数 设计载荷与使用载荷之比剩余强度 含裂纹结构的静承载能力疲劳强度 金厲材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力腐蚀控制抵御金厲表面在周围介质作用下发生化学反应或电化学反应而遭受玻坏静强度 结构在常温条件下承受载荷的能力 包括在使用载荷作用下， 结构不发生永久变形； 在设计栽荷作用下， 结构不发生总体破坏的能力气动弹性 空气动力与柔性结构相互作用， 飞机结构在空气动力作用下会产生变形， 这种变形反过来又使空气动力随之改变， 最终导致破坏的一类问题结构刚度 也称静刚度， 子结构的材料， 几何形状以及边界条件相关， 在抵抗受压与剪力时不至于屈曲损伤容限 结构在规定的未修使用周期内， 抵抗由经济寿命 损伤容限安全寿命 要求飞机结构在使用寿命期内不应出现宏观可检裂纹， 实际上是指保证飞机从可能使用到形成一定尺寸裂纹的使用时间内的结构安全耐久度 结构在规定的经济寿命期间， 抵抗疲劳开裂、 腐蚀、 热退化、 剥离、 磨损和外来物偶然损伤作用的一种固有能力裂纹扩展 已形成的微观裂纹和宏观裂纹在应力和环境作用下，八断长大的过程麵振的自适应控制 飞机或其部件的不稳定自机振动—胃能结柳 结构健康监控 首先是对结构状态的诊断功能， 然后是对结构状态的自适应控制功能 当前，发达国家在飞机设计中巳逐步将飞机结构设计的重点转移至此功能的研发减振和降噪 飞机产生振动、 声音的大小， 以及对突破音障时声爆的影响设计指标体系的选择依据飞机结构安全的权衡是典型的多目标优化决策问题， 其目的就是为了使飞机结构的安全性最大化，在多个并行的设计方案中选择最安全可靠的方案 飞机结构设计思想来源于飞机4 期 卢晓帆， 等 基于层次分析和二元语义的飞机结构安全评价研究结构的具体使用实践， 通过对实践经验的总结 在原有设计基础上提出更高、 更新的技术要求 飞机结构设计的选择依据有以下几个：强度 材料和结构在载荷、 振动、 温度等工作环境下抵抗破坏和保持安全工作的能力刚度： 机械零件和构件抵抗由外载引起变形的能力经济寿命 损伤容限 目前耐久性 损伤容限已成为世界各国在飞行器设计和使用过程中广泛应用的准则 年代末 耐久性考虑的经济寿命被引入到设计体系智能结构： 为设计航空平台提供控制结构几何形状、 运动 、 气动力流场等的新手段，用于改善结构的耐久性和可靠性 具有结构健康自诊断、 自监控、 环境自适应以及损伤自愈合自修复的生命特征及智能功能建立综合评价体系飞机结构安全的指标体系能够转化为递阶层次结构， 以确定各个指标权重大小建立体系如表 所示目标层 为飞机结构安全性； 准则层 强度、 刚度 、 经济寿命 损伤容限、 智能结构；为二级指标层二元语义群决策方法及其算子二元话义二元语义 是西班牙学者 教授于 年在 上首次提出的关于语言信息集结的分析方法 该方法较好的克服了传统模糊运算分析中， 由于对个体语言评价信息集结后所得的评价等级不能用语言评估集中某个短语直接表示， 而要进行近似处理所产生的不准确性二元语义群决策 基于符号平移概念， 是指针对某目标 （或对象、 准则） 给出的评价值结果用二元组 （ 来表示决策者的评价信息 其 表示给定语言评价集中的一个评价等级， 表示第 个元素 表示计算后的语言信息与初始设定的评价集中最贴近的评价集的差别， 且办定义 】 设 民 是一个语言短语， 相应的二元语义形式可以通过下面的函数 获得： — ’⑴定义 设实数 为语言评价集 经某种集结方法得到的实数 其中 为语言评价集 中元素的个数， 则 可由下面函数 表示为二元语义信息： ，厶、—其中， 表示进行四舍五入， 取整定义 叫 设 （ ，办） 是一个二元语义， 则存在一个逆函数 〗 ， 使其转换成相应的数值1 1 2数学 的 实践 与 认识 卷厶： 叫）假设 （民知， 是任意的不同的两个二元语义 则其有以下 个规定： 当 ； 〉寸， 有 当 时’ 若 则 若 则— 若 则二元语义加权算术平均算子 （ 和二元语义有序加权平均算子假设 ， ， 巧 ，… 是一组需要集成的二元语义， ，为先前通过层次分析法所得到的各个指标的相应权重 则二元语义加权箅术平均算子 为：一： ’ ） ’ （叼， ’…， （工 ’⑷基于二元语义的有序加权平均算子 （ 为：了，——工， ，■，工，向量 ， … 中的元素按照从大到小排序， 即为排在第 位的元素； 代表专家权重向最， 由模糊量化算子给出 ：臺 ’’…’，—，式中’ 取值规则为 “大多数” 、 “至少半数 、“尽可能多”原则下， 对应为， ，飞机结构安全评价的过程评价体系的确定本文使用 标度判断矩阵， 求出反映每个因素相对重要程度的权重向量 恥，吣，…， 确定当前设计方案的安全程度， 以利于对同一型号飞机的各个结构设计方案进行安全程度评估基于二元语义的评价步骤在综合评价问题上， 设被评价的方案集合为 负， ，… 参加评价的专家集合为 （ … 评价指标 共 项 专家 从语言评价集 巧 ， 巧 ，… 中选择一个元素作为评价指标 的评价值为 也為， ，步骤 根据公式 （ 、 （ ， 将专家的语言评 言息转化为二元语义的评价信息 （略， ，其中 ，4 期 卢晓帆， 等 基于层次分析和二元语义的飞机结构安全评价研究步骤 根据公式 （ 使用 算子 将二级指标 （ 进行集结得到一级指标， 再将 进行集结， 得到 （ ， 形式， 计算得每一位专家对一种设计方案的综合评价结果 其中权重 即为层次分析法中求的权重向量步骤 根据公式 （ ， 使用 算子 对 位专家的评价信息 进行集结， 得到最终评价信息 ， 其中的权重， 由公式 （ 中的模糊量化算子给出步骤 根据二元语义的最终评价信息进行有序性排列， 从中选优算例分析下面以某型装备为例 进行算例分析层次分析法确定指标权重使用改进的 比例标度法 根据专家打分确定判别矩阵强度、 刚度 、 经济寿命 损伤容限、 智能结构表 飞机结构安全评价一级指标判别矩阵强度 刚度 经济寿命 损伤容限 智能结构指标强度刚度经济寿命 损伤容限智能结构计算特征向量及归一化后的层次单排序权重 然后进行一致性检验 计算特征值， 得， 当前准则层判断矩阵具有满意的一致性， 结果有效 同理， 计算其它各二级指标的判断矩阵表 判别矩阵°‘注表 判别矩阵°注 —1 1 4数 学 的 实 践 与认识 卷表 判别矩阵注 ’表 判别矩阵注，，由此得到一级指标权重集为：二级指标权重集为：、， ， ， ，， ，二元语义法确定评价等级飞机结构设计的安全性评估 确定 个评估等级： 很安全、 较安全、 安全、一般、 有风险，构成评价集 很安全， ： 较安全 安全， —般 有风险位专家对该型飞机的 种不同的设计结构方案 进行结构安全评价，判别矩阵如下：； ；期 卢晓帆， 等 基于层次分析和二元语义的飞机结构安全评价研究按照公式 （ 、 将专家评审信息表数据转换为二元语义数据按照公式 （ 使用 算子 将指标进行集结 结果如下表：按照公式 （ ， 使用 算子对信息进行集结 集结时， 权重指标采用公式 （ 模糊量化算子中的 “大多数 原则， 参数 对应的 （ ， 取值为 （ ， 此时， 专家权重向量经计算为±§ 最后总评价结果 （屯，办，凡） 为呢’表 专家评审信息结果处理表一级指标强度刚度 ，经济寿 ，命 损伤容限智能结 ’综合评价结果故三种不同的设计结构方案的最终评价排序为： 均 〉 只结束语在当前现代化科技的驱动下， 为符合人们与高技术局部战争的需要 不论是军用飞机还是民用飞机 结构安全都是飞机设计的安全基点 本文计对飞机结构安全， 提出了一种基于层次分析法和二元语义的综合评估方法， 将飞机结构安全程度这一边界不清的因素定董化 评价过程是在系统的、 科学的和全面搜集 、 整理和分析相关信息的基础上， 对被评价对象的价值做出判断的过程 在飞机的研制中提供了科学的依据 ， 通过实例说明了该方法的科学有效参考文献王志瑾 姚卫星 飞机结构设计 北京， 国防工业出版社，柳承茂， 刘西拉 结构安全性综合评估方法的研究 四川建筑科学研究， ：薛景川， 沈真， 郑仲， 等 以结构完整性为目标的安全性指标体系 机械强度，陈盖凯， 王琪， 张毅 基于二元语义的高原地区航材配送中心选址决策研究 数学的实践泫认识，汪应洛 系统工程 丨北京， 机械工业出版社，《新航空概论》编写组 新航空概论 航空工业出版社，邱志平，王晓军 飞机结构强度分析和设计基础丨 】 北京航空航天大学出版社，1 1 6数学 的 实 践 与 认 识 卷’，， ：’， ，，，。