民机液压泵典型故障动态演化过程模拟中的关键问题

Different with the hydraulic pump of military aircraft, commercial aircraft has very extreme requirements of much higher reliability and longer lifecycle, which increased the cost of pump life testing substantially, and will be contradictory with the trend of green manufacturing and quick development requirement. Based on the concept of virtual testing, the project aim to discover the virtual test methodology, and research result can be used to simulate the dynamic evolution processes of the typical failure modes-include fatigue, wear and thermal aging- of hydraulic pump..Firstly, we will focus the attention on the multi domain modeling method, collaboration method of the mass/energy/information flow during the evolution processes, and the realization method of dynamic simulation. Then, based on the multi-domain model and basic theory of the fatigue, wear and thermal aging, problems related with the environment infecting factors analysis, failure mechanism analysis and time sampling regulation creation will be resolved. Research result will be helpful to present a simulation method, and furthermore, simulation result can be used to clarify the evolution regulation under the conditions of multi-physics coupling, multi state coexisting and multi process completing. Achievement of this project will contribute a lot of energy for the reliability and quality improvement of commercial aircraft hydraulic pump. Based on the developed virtual test method, widely application of life prediction among all the electro-mechanical products is possible, which can bring great value for green manufacturing and our society's continuable development.

民机液压泵高可靠长寿命的特点导致其寿命试验周期长、试验成本高，与装备的快速研制和绿色制造需求之间的矛盾日益突出。本项目基于虚拟试验理念，探索液压泵典型故障（疲劳、磨损、老化）动态演化过程的模拟方法。重点研究时空耦合情况下的多能场/多状态/多过程统一模型建立问题、模拟过程中物质/能量/信息流的协同设计方法和动态模拟方法。以多领域统一模型和故障过程的基础模型为依据，研究解决液压泵故障演化过程模拟中载荷环境分析、失效机理探明和时间离散相关等问题。研究成果不仅有助于实现动态模拟液压泵故障演化过程的目的，还可以阐明民机液压泵工作过程中的多能场耦合、多状态并存、多过程竞争机制，揭示蕴含于其工作过程中的故障演化规律。扩展应用到其他机电系统的故障过程模拟，该项研究对于满足逐渐严格的寿命预计需求、节约试验成本和实现绿色制造，具有重要的现实意义。

（1） 项目背景.本项目提出时，我国正处于自主研制民用大型飞机的关键阶段。液压柱塞泵作为民用飞机液压系统的核心部件，寿命要求与普通用途飞机相比有大幅提高（通常寿命要求上万小时，是普通飞机液压泵寿命的10倍左右）。在如此高的寿命要求之下，采用传统的寿命试验和验证手段，不仅需要耗费大量人力物力，也不能满足研制进度的要求。本项目开展的针对飞机液压泵典型故障（磨损、疲劳和老化）演化过程模拟关键问题研究，有助于探明液压泵寿命与影响因素之间的关系，对于液压泵的寿命预计，以及开展加速寿命试验，具有现实意义。.（2） 主要研究内容.主要研究内容包括：①基于统一建模语言和接口的液压泵多领域统一建模方法，建立液压泵结构/液压/运动动力学/流场多学科统一模型，为关键故障模式演化过程的模拟提供基础；②基于虚拟样机的疲劳寿命分析方法，分析疲劳过程与结构参数/工况参数之间的关联关系；③流场与关键摩擦副的油膜特性研究，为磨损寿命分析提供基础；④基于Archard模型的液压泵磨损寿命分析；⑤液压泵寿命影响因素的定性和定量分析，探明液压泵整体寿命与影响因素之间的关系；⑥液压泵加速寿命试验方法，在探明液压泵寿命影响因素的前提下，与泵研制厂家合作开展加速寿命试验，验证研究结果的准确性。.（3） 主要研究成果.针对航空领域广泛采用的直轴式恒压变量液压柱塞泵，研究得到了寿命与影响因素（介质温度、输出压力、输出流量）之间的相对定量关系。并根据研究结论，指导液压泵厂家开展了以评价液压泵寿命为目标的加速寿命试验。目前，产品已经在我国的大型运输机主泵的寿命试验中得到了应用，缩短试验时间至原来的1/5。.具体成果形式为：①在国内外期刊发表论文10篇，其中SCI检索3篇，EI检索2篇，中文核心连载5篇；②获省部级奖励1项；③培养毕业硕士研究生5名，在读博士和硕士研究生2名；④学位论文4部；⑤成果在航空液压泵研制单位得到了应用，并附有应用证明。.（4） 科学意义.研究成果既可克服民机液压泵试验成本高昂、试验数据匮乏，无成熟寿命评价模型的问题，又能化解液压泵寿命试验周期长同快速研制需求之间的矛盾，同时还有助于深入探索液压泵故障机理和故障演化过程，为高可靠性长寿命液压泵的设计提供技术基础。研究结果不仅可以用于民机液压泵，还可以扩展应用到其他新型高可靠性长寿命机电系统的研制过程。