民用飛機結(jié)構(gòu)非計劃直接維修成本預(yù)計研究

劉余，劉昕，張繼斌，劉成，譚宏斌

(1.中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽 110169) (2.中國商飛上海飛機客戶服務(wù)有限公司 維修工程部，上海 200241)

0 引 言

民用飛機直接維修成本(Direct Maintenance Cost，簡稱DMC)是衡量民用飛機經(jīng)濟性的重要指標(biāo)。直接維修成本是指在完成飛機或設(shè)備維修中直接花費的人工時和材料費用[1]。吳靜敏等[2]針對整機DMC預(yù)計進行了研究，王瑩等[3]給出了民用飛機DMC分析與控制方法，徐建新等[4]對全壽命周期復(fù)合材料成本展開研究。

對飛機的DMC進行預(yù)計，是為了驗證與確定更好的先進維修策略，以在保證維修安全性的前提下降低維修成本。研究人員已經(jīng)提出了許多種成本模型以便于對維修策略進行比較分析[5-7]。這些成本分析和比較方法都有一個共同特點，就是維修策略與具體單元的費用相互獨立，而兩者間的聯(lián)系沒有充分考慮。例如，在飛機維修中，盡可能將機身結(jié)構(gòu)維修任務(wù)與計劃維修任務(wù)同時進行，并只在必要時進行非計劃維修是有利的。而如果非計劃維修的費用要遠高于計劃維修，那么維修計劃制定者會更加傾向于在計劃維修時盡量多進行對壁板的修理，以避免非計劃維修。

從目前國內(nèi)研究情況來看，針對結(jié)構(gòu)非計劃維修成本還沒有專門的研究。為此，本文對民用飛機結(jié)構(gòu)損傷源，DMC構(gòu)成要素及影響因素進行分析，基于飛機工程數(shù)據(jù)，結(jié)合典型飛機使用環(huán)境及利用率，提出結(jié)構(gòu)非計劃DMC預(yù)計模型，并就金屬和非金屬結(jié)構(gòu)非計劃DMC進行對比。

1 結(jié)構(gòu)非計劃DMC構(gòu)成要素及影響因素

根據(jù)S3000L國際規(guī)范，維修任務(wù)的驅(qū)動因素有：故障、損傷、事件、時間/時限、軟硬件使用[8]。針對結(jié)構(gòu)主要為損傷及特殊事件，其維修任務(wù)來源包括意外損傷(Accidental Damage，簡稱AD)、環(huán)境退化(Environmental Deterioration，簡稱ED)、腐蝕預(yù)防和控制(Corrosion Prevention and Control Program，簡稱CPCP)、疲勞損傷(Fatigue Damage，簡稱FD)、特殊事件等。由MSG-3結(jié)構(gòu)分析方法確定AD、ED及CPCP相關(guān)任務(wù)，MSG-3針對飛機設(shè)計、使用環(huán)境，給出SSI(Significant Structure Item，簡稱SSI)的AD和ED影響因素，并制定相應(yīng)的計劃維修檢查門檻值和間隔值，確保在間隔期內(nèi)飛機安全[9]。由損傷容限分析(Da-mage Tolerance Analysis，簡稱DTA)對主要結(jié)構(gòu)件(Principal Structural Element，簡稱PSE)進行疲勞分析，給出檢查間隔及任務(wù)類型。由損傷及特殊事件分析(Damage & Special Event Analysis，簡稱DSEA)定義相對應(yīng)的預(yù)防性檢查任務(wù)。

AD中雷擊、鳥撞、冰雹、車輛碰撞等引發(fā)的較大損傷屬于特殊事件，不在AD中考慮，但AD會對ED產(chǎn)生影響，例如破壞表面涂層引起腐蝕。結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計不包括超手冊修理內(nèi)容。

從DMC概念出發(fā)，DMC包括人工和材料花費，并且以美元每飛行小時($/FH)表示。結(jié)構(gòu)非計劃DMC構(gòu)成要素與影響因素關(guān)系如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)非計劃DMC構(gòu)成要素及影響因素

2 方法及案例

2.1 預(yù)計流程及輸入

結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計需要明確何種損傷源對何種結(jié)構(gòu)造成何種損傷，每種損傷類型的典型尺寸及典型修理方法，在此基礎(chǔ)上進行人工時和材料費用的預(yù)計。具體過程如圖1所示。

民用飛機結(jié)構(gòu)非計劃類DMC需要以MSG-3，DTA，DSEA作為基礎(chǔ)輸入，以確定結(jié)構(gòu)損傷源及損傷類型。針對典型損傷的典型修理方法引起的人工時及材料費用，可參考維修手冊、工藝規(guī)范、市場價格等數(shù)據(jù)進行評估。

圖1 結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計過程

2.2 預(yù)計模型

基于結(jié)構(gòu)DMC構(gòu)成要素及影響因素，建立結(jié)構(gòu)非計劃類DMC通用預(yù)計模型[10]如下：

DMCunsch=F·Q·(H+M)

(1)

式中：DMCnusch為DMC陣，表示每一類結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計結(jié)果；F為頻次陣，表示壽命周期內(nèi)每一類任務(wù)的維修次數(shù)；Q為數(shù)量陣，表示任務(wù)執(zhí)行對象在單架飛機上的數(shù)量；H為人工成本陣，表示每一類任務(wù)的人工成本；M為材料成本陣，表示每一類任務(wù)的材料成本。

針對SSI/PSE非計劃類DMC預(yù)計模型如下：

(2)

針對單個特殊事件，發(fā)生后進行結(jié)構(gòu)修復(fù)DMC預(yù)計模型如下：

(3)

對于多個特殊事件的情況，發(fā)生后進行結(jié)構(gòu)修復(fù)DMC預(yù)計模型如下：

(4)

為進行結(jié)構(gòu)非計劃DMC的匯總，應(yīng)分別計算MSG-3,DTA,DSEA相關(guān)DMC，累加得到結(jié)構(gòu)非計劃DMC。

2.3 預(yù)計案例

2.3.1 基本假設(shè)

基于典型飛機設(shè)計數(shù)據(jù)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟水平為基礎(chǔ)，參考IATA提供的2013年23家航空公司飛機運行狀態(tài)統(tǒng)計結(jié)果[11]，假設(shè)如下：

(1) 以每年1381飛行循環(huán)為基準(zhǔn)；

(2) 飛行循環(huán)(FC)與飛行小時(FH)比為FC∶FH=1∶2.46；

(3) 飛機設(shè)計壽命周期為30年；

(4) 人工時費率為60 $/FH，即60美元每飛行小時。

2.3.2 輸 入

某機型前中機身MSG-3，DTA金屬結(jié)構(gòu)非計劃類DMC輸入數(shù)據(jù)如表2所示，DSEA輸入數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 MSG-3，DTA結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計輸入

表3 DSEA相關(guān)結(jié)構(gòu)非計劃類DMC輸入

針對表2，按照文獻[13]損傷尺寸(腐蝕深度)服從威布爾分布，參考文獻[14]，依據(jù)工程判斷建立服役時間腐蝕深度累計分布規(guī)律，如圖2所示，按照95%概率下，在8a和12a(1a表示服役1年)下腐蝕深度均介于1.84～2.76 mm，由于該上壁板采用腐蝕抑制劑且排水路徑較好，故腐蝕深度按2 mm估算，可采用打磨后補漆維修。疲勞裂紋擴展尺寸由DTA分析確定，不會產(chǎn)生超手冊修理。

圖2 服役時間腐蝕深度累積分布規(guī)律

2.3.3 預(yù)計結(jié)果

前中機身上蒙皮壁板DMC按照公式2，公式4進行計算。DMC預(yù)計結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

從預(yù)計結(jié)果可見，金屬結(jié)構(gòu)前中機身上壁板AD，ED，F(xiàn)D導(dǎo)致DMC花費較高(占比93%)。特殊事件發(fā)生雖然每次維修費用高，由于發(fā)生概率較低，分攤到整個使用周期內(nèi)維修費用占比7%左右，表明提高金屬材料的抗腐蝕及抗疲勞性能，是降低DMC的有效途徑。

表4 金屬前中機身結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計結(jié)果

2.3.4 對比分析

若采用碳纖維復(fù)合材料機身，由于復(fù)合材料抗沖擊、耐腐蝕、抗疲勞等特性可顯著降低損傷程度，但相對金屬結(jié)構(gòu)單次維修工時及材料費用較高，故應(yīng)將兩者DMC進行對比。

經(jīng)過MSG-3分析可知，復(fù)合材料上壁板受到AD損傷源為冰雹、雷擊(在DSEA中考慮)、維修操作、除冰操作，受到ED損傷源為濕熱環(huán)境，無CPCP任務(wù)、FD初始裂紋無擴展。飛機計劃維修首檢及重復(fù)檢查間隔為12年(全壽命周期維修2次)，利用率與金屬飛機一致，維修操作引起的AD參考維修統(tǒng)計數(shù)據(jù)取值，濕熱環(huán)境占整個運行周期的一半計算，冰雹發(fā)生概率不變，維修工時及費用按工程估算，預(yù)計結(jié)果如表5所示。

表5 前中機身復(fù)材結(jié)構(gòu)非計劃類DMC預(yù)計結(jié)果

通過碳纖維復(fù)合材料機身與金屬機身相比(如圖3所示)，AD花費顯著增加，ED，F(xiàn)D花費顯著降低，上壁板整體DMC花費降低29.8%。可見復(fù)合材料的引入可顯著降低維修費用。按照文獻[4]計算公式9，公式系數(shù)與文獻[17]中碳纖維復(fù)合材料一致，人工時費率按照每小時60美元計算，可得該結(jié)構(gòu)單次修復(fù)性維修花費為4 619美元，按照文獻[4]公式6計算全壽命周期維修次數(shù)為18次，該結(jié)構(gòu)非計劃DMC為0.815 73 $/FH，本方法預(yù)計AD，ED，F(xiàn)D導(dǎo)致的DMC為0.796 33 $/FH，偏差為2.44%，兩者比較吻合。

圖3 復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)非計劃DMC對比

3 DMC預(yù)計的影響因素

在產(chǎn)品研制階段，DMC預(yù)計工作是基于飛機在典型環(huán)境和利用率的基礎(chǔ)上進行的，但在飛機投入運營后，由于運營環(huán)境、飛機使用情況、區(qū)域氣候環(huán)境等方面差異，使DMC實際值與研制階段預(yù)計值存在偏差，為解決該模型無法實現(xiàn)客戶化DMC預(yù)計的問題，故在模型基礎(chǔ)上引入調(diào)整系數(shù)，優(yōu)化后的DMC預(yù)計模型見公式4。

DMCunsch=F·Q·K(H+M)

(4)

式中：K為調(diào)整矩陣，可用公式5表示：

K=KO·KE·KP

(5)

式中：KO為使用影響矩陣，表示飛機使用情況；KE為環(huán)境影響矩陣，表示飛機運行環(huán)境惡劣程度；KP為產(chǎn)品設(shè)計屬性影響矩陣，表示飛機在設(shè)計的先進性。

主航空制造企業(yè)可以在產(chǎn)品設(shè)計階段，以相似機型DMC數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)客戶運行需求，充分考慮產(chǎn)品運行環(huán)境及使用情況，確定合適的調(diào)整系數(shù)，得到客戶化的DMC目標(biāo)及分配值，并依此為依據(jù)約束供應(yīng)商，提高產(chǎn)品的固有維修性和經(jīng)濟性水平。

4 結(jié) 論

(1) 建立了結(jié)構(gòu)非計劃DMC預(yù)計流程、預(yù)計模型及DMC調(diào)整模型，引入調(diào)整系數(shù)矩陣，實現(xiàn)了DMC預(yù)計客戶化。采用本文建立模型對該結(jié)構(gòu)DMC進行預(yù)計，預(yù)計結(jié)果與文獻[4]方法對比，偏差為2.44%，表明本預(yù)計模型具有一定的準(zhǔn)確性。

(2) 金屬結(jié)構(gòu)AD，ED及FD是影響DMC的主要因素，提高金屬材料抗腐蝕及抗疲勞性能可顯著降低DMC。

(3) 復(fù)合材料引入可降低該結(jié)構(gòu)非計劃DMC 29%，表明復(fù)合材料的引入可大幅降低結(jié)構(gòu)DMC。