航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置是航空發(fā)動機(jī)的核心控制單元，長期服役在高溫、高壓、強(qiáng)振的惡劣環(huán)境，在航空發(fā)動機(jī)外場使用中故障率占比高，產(chǎn)品的壽命及可靠性是當(dāng)前制約我國裝備能力提升的短板。本文總結(jié)了當(dāng)前燃油控制裝置的典型故障類型，對比分析了國內(nèi)外在燃油控制裝置可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)、可靠性優(yōu)化技術(shù)、壽命試驗(yàn)技術(shù)及可靠性評估技術(shù)方面的研究進(jìn)展；剖析了我國燃油控制裝置可靠性技術(shù)探討研究及應(yīng)用方面的不足及原因，同時結(jié)合航空發(fā)動機(jī)正向研發(fā)體系建設(shè)需要，指出了航空發(fā)動機(jī)自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)中燃油控制裝置性能及可靠性一體化設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，并立足于現(xiàn)有國內(nèi)設(shè)計(jì)水平及工業(yè)基礎(chǔ)，給出了夯實(shí)我國航空燃油控制裝置設(shè)計(jì)能力需開展的基礎(chǔ)性研究建議。

  燃油控制裝置是航空發(fā)動機(jī)的核心單元，負(fù)責(zé)為航空發(fā)動機(jī)提供所需燃油，并調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的幾何位置，從而保障飛機(jī)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)揮性能。燃油控制裝置主要由燃油泵和燃油附件等組成，其中燃油泵的類型主要有離心泵、齒輪泵和柱塞泵等，齒輪泵常用于主燃油泵，離心泵大多數(shù)都用在低壓增壓泵或加力泵，柱塞泵大多數(shù)都用在伺服油源泵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空發(fā)動機(jī)各類故障中，燃油控制裝置故障占比較高，因此如何進(jìn)一步提升燃油控制裝置質(zhì)量、可靠性和使用效能，加強(qiáng)裝備“六性”技術(shù)的研發(fā)，形成高可靠、長壽命的燃油控制裝置綜合設(shè)計(jì)能力，是新一代航空發(fā)動機(jī)燃油控制管理系統(tǒng)技術(shù)革新的重要目標(biāo)。

  近年來，歐美等航空動力強(qiáng)國在燃油控制裝置方面取得了重大的技術(shù)突破和重要的研究成果，其軍用發(fā)動機(jī)燃油控制裝置的首翻期均已突破2000h總壽命，其中，燃油泵平均無故障上班時間（Mean Time Between Failures，MTBF）達(dá)到了14000h，燃油附件MTBF達(dá)到了6000h。美國最新一代發(fā)動機(jī)裝配的燃油控制裝置已具備耐高溫、高壓力、高效率、大功率以及大流量等技術(shù)特征，這主要得益于產(chǎn)品研制從方案論證到設(shè)計(jì)各個階段，均進(jìn)行了詳細(xì)的可靠性設(shè)計(jì)，包括：（1）在燃油系統(tǒng)方案論證階段，詳細(xì)制定了產(chǎn)品可靠性要求，明確了返修率、MTBF以及耐久性試驗(yàn)時間、加速壽命試驗(yàn)時間等。（2）在工程研制階段，進(jìn)行了故障模式、影響和危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）和FTA（Fault Tree Analysis）等可靠性分析工作。（3）制定了充分的可靠性試驗(yàn)計(jì)劃，包括加速循環(huán)耐久性試驗(yàn)、振動試驗(yàn)、元件的疲勞試驗(yàn)等。（4）工業(yè)基礎(chǔ)好，前期積累了大量數(shù)據(jù)并建立了專業(yè)性的數(shù)據(jù)庫，做到了信息的及時反饋。歐美航空動力強(qiáng)國在產(chǎn)品研制方面的大量深入可靠性技術(shù)探討研究工作，形成了完善的可靠性研發(fā)體系，從而大幅度提高了戰(zhàn)機(jī)燃油系統(tǒng)可靠性。早期國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置以逆向設(shè)計(jì)為主，未形成正向可靠性設(shè)計(jì)體系，燃油系統(tǒng)的可靠性技術(shù)較國外差距較大，產(chǎn)品首翻期壽命和MTBF技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)落后于國外領(lǐng)先水平。由于國內(nèi)在燃油控制裝置研制階段并未形成正向的可靠性設(shè)計(jì)體系，仍采用產(chǎn)品故障發(fā)生后的被動改進(jìn)措施，如：試驗(yàn)中“激發(fā)故障-改進(jìn)設(shè)計(jì)”、使用中“出現(xiàn)故障-改進(jìn)設(shè)計(jì)”等，即被動事后改進(jìn)（Modify for Reliability），缺乏充分的可靠性技術(shù)將故障暴露并消滅在設(shè)計(jì)階段。未來新一代航空發(fā)動機(jī)嚴(yán)酷的飛行條件、惡劣的飛行環(huán)境，將會促進(jìn)加劇燃油控制裝置部件的失效問題。

  現(xiàn)階段，我國航空動力燃油控制裝置設(shè)計(jì)重點(diǎn)已由高性能自主設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為高可靠、長壽命設(shè)計(jì)方向?？煽啃栽O(shè)計(jì)作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，國內(nèi)長期以來缺乏對可靠性設(shè)計(jì)的重視，未建立完善有效可指導(dǎo)燃油控制裝置設(shè)計(jì)的可靠性數(shù)據(jù)庫，僅存的數(shù)據(jù)還存在數(shù)據(jù)不清楚、不全面、記錄錯誤等多種主觀及客觀不確定性問題，無法將在研在役豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源有效應(yīng)用于設(shè)計(jì)，未形成產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的有效迭代。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的性能、壽命、可靠性參數(shù)尚未進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，各階段缺乏貫徹規(guī)范可行的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，僅在產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)收對其可靠性指標(biāo)（主要對壽命）進(jìn)行初步驗(yàn)證，忽略了可靠性須貫穿在產(chǎn)品整個設(shè)計(jì)過程中這一核心思想。未來，航空發(fā)動機(jī)工作環(huán)境愈加嚴(yán)酷，燃油控制裝置結(jié)構(gòu)元件組成較多，將面臨更多故障模式、更復(fù)雜的故障機(jī)理以及更多不確定性耦合因素等待解決問題。

  針對以上問題，本文通過梳理當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)燃油控制管理系統(tǒng)故障類型，分析國內(nèi)外燃油控制裝置可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的研究狀況，凝練了我國航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置與國外產(chǎn)品的差距及要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)，最后給出了提升我國航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置可靠性的主要工作思路。

  燃油控制裝置通常和電子控制器、傳感器共同配合完成發(fā)動機(jī)燃油流量及風(fēng)扇、導(dǎo)葉、噴口位置等控制功能。航空發(fā)動機(jī)主燃油控制單元的工作原理邏輯框圖如圖1所示。主燃油控制單元主要完成發(fā)動機(jī)主燃油流量及風(fēng)扇導(dǎo)葉角度、壓氣機(jī)導(dǎo)葉角度控制功能，主要元件包括齒輪泵、壓差活門、安全活門、回油活門、計(jì)量活門、定壓活門、半定壓活門、中心油濾、流量控制電液伺服閥、備份流量控制電液伺服閥、轉(zhuǎn)換電磁閥、轉(zhuǎn)換活門、停車電磁閥、停車活門、關(guān)斷活門、最小壓力活門、風(fēng)扇導(dǎo)葉控制電液伺服閥、壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制電液伺服閥、壓氣機(jī)導(dǎo)葉備份控制電液伺服閥等。

  燃油控制裝置的工作原理為：（1）來自飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的燃油進(jìn)入燃油增壓泵，經(jīng)增壓后的燃油沿導(dǎo)管進(jìn)入總?cè)加蜑V，過濾后的燃油沿導(dǎo)管進(jìn)入主燃油齒輪泵。主燃油齒輪泵后的燃油經(jīng)計(jì)量后通往發(fā)動機(jī)燃燒室，剩余的燃油經(jīng)回油活門、安全活門回油。（2）電子控制器發(fā)出燃油流量的控制信號，通過流量控制電液伺服閥控制計(jì)量活門的窗口的面積，壓差活門和回油活門保證計(jì)量活門前后壓差不變，燃油流量則是計(jì)量活門位置的單一函數(shù)，與計(jì)量活門剛性連接的線性可變差動變壓器（Linear Variable Displacement Transducer，LVDT），將位置信號反饋給電子控制器，形成燃油流量的閉環(huán)系統(tǒng)。若流量控制電液伺服閥失效，轉(zhuǎn)換電磁閥通電，轉(zhuǎn)換活門切斷流量控制電液伺服閥的負(fù)載窗口，由備用電液伺服閥來控制燃油流量。（3）風(fēng)扇導(dǎo)葉控制單元，發(fā)動機(jī)電子控制器按控制規(guī)律發(fā)出不同的控制信號，經(jīng)風(fēng)扇導(dǎo)葉控制電液伺服閥輸出不同壓力流量的燃油通過作動筒控制風(fēng)扇導(dǎo)葉角度。與作動筒剛性相連的LVDT將位置信號反饋回電子控制器，形成位置閉環(huán)系統(tǒng)。壓氣機(jī)導(dǎo)葉控制原理類似。（4）消喘和停車裝置由停車電磁閥、停車活門和關(guān)斷活門組成。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入喘振或停車信號時，停車電磁閥接通，將定壓油通向停車活門下腔，停車活門上移，使高壓油通向關(guān)斷活門彈簧腔，關(guān)閉向發(fā)動機(jī)燃燒室供油，當(dāng)喘振消失后及時切斷以上兩路燃油的通路，使總系統(tǒng)回到正常狀態(tài)工作。最小壓力活門保證停車或消喘時，系統(tǒng)的泵后壓力在一些范圍內(nèi)。

  圖2為航空發(fā)動機(jī)噴口面積控制單元的工作原理圖。噴口控制單元組成包括高壓柱塞泵、噴口電液伺服閥、分油活門、噴口作動筒、分油活門LVDT、作動筒LVDT。工作原理為：噴口控制分油活門有桿腔通定壓油，電子控制器通過噴口電液伺服閥控制分油活門的無桿腔壓力，分油活門在定壓活門作用下沿軸向移動，從而分配通往噴口作動筒無桿腔的高壓油，控制噴口面積。分油活門的位移量又通過線位移傳感器反饋給電子控制器，實(shí)現(xiàn)分油活門的閉環(huán)控制。

  航空發(fā)動機(jī)加力燃油控制單元的燃油流量控制裝置主要的元件包括電液伺服閥和計(jì)量活門等組件，其燃油計(jì)量原理也采用前后壓差恒定的工作原理，與主燃油控制單元類似，文中不做詳細(xì)介紹。

  由于航空發(fā)動機(jī)嚴(yán)酷的飛行條件、惡劣的飛行環(huán)境，燃油泵與燃油附件部件的失效問題突出。然而，當(dāng)前國內(nèi)在燃油控制裝置設(shè)計(jì)中，尚未形成正向的可靠性設(shè)計(jì)體系，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中并未將可靠性設(shè)計(jì)理論貫穿于產(chǎn)品研發(fā)的全過程，導(dǎo)致所研發(fā)的產(chǎn)品故障較為頻繁。圖3給出了我國航空產(chǎn)品的主要失效致因比例、故障分類與故障占比，該數(shù)據(jù)主要源于歸納總結(jié)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)。由圖可知：（1）按照故障產(chǎn)生根源，可大致分為設(shè)計(jì)故障、生產(chǎn)加工故障和使用維護(hù)故障，其中由設(shè)計(jì)及制造導(dǎo)致的產(chǎn)品故障占比之和約為77%，占比最高；（2）按照對調(diào)節(jié)參數(shù)的影響程度劃分，可大致分為功能故障和參數(shù)故障，其中參數(shù)故障占比略高于功能故障；（3）按照時間上漲的速度劃分，可大致分為退化故障和突發(fā)故障，后者占比遠(yuǎn)高于前者。此外，也可按照故障重復(fù)次數(shù)將其分為單次故障和多次重復(fù)故障，按照對飛行安全影響程度分為造成和不造成特殊飛行狀態(tài)的故障。

  飛機(jī)在大機(jī)動飛行時，會造成燃油泵的進(jìn)口產(chǎn)生非均勻入流及進(jìn)口邊界突變，燃油泵非?？焖俚匦D(zhuǎn)過程也會產(chǎn)生出口脈動、振動、噪聲等嚴(yán)重的不利運(yùn)作時的狀態(tài)。目前燃油控制裝置中汽蝕頻發(fā)的主要是離心泵的葉輪和齒輪泵的卸荷槽部位。離心泵作為燃油控制管理系統(tǒng)的增壓泵，在非?？焖俚匦D(zhuǎn)過程中汽蝕常出現(xiàn)在誘導(dǎo)輪、葉輪根部等位置，嚴(yán)重時導(dǎo)致葉片斷裂，如圖4所示為某型燃油離心泵的誘導(dǎo)輪及葉輪根部汽蝕故障圖。

  燃油控制裝置采用的低黏度三號航空煤油作為摩擦潤滑介質(zhì)，產(chǎn)品工作過程有多個相對運(yùn)動的配合零件，極易產(chǎn)生磨損故障，特別是燃油泵軸與軸承間的磨損、齒輪副間的磨損、齒輪端面與側(cè)板端面的磨損（如圖5所示），以及柱塞泵的滑靴副、配流副、柱塞副以及活門類精密控制元件磨損。

  航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置在全工作包線中，高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的惡劣條件會引起交變載荷、環(huán)境應(yīng)力、材料應(yīng)力等變化，產(chǎn)品的疲勞問題突出，主要涉及低周疲勞、高溫疲勞、熱疲勞等。當(dāng)前，軸、軸承和殼體等零組件是疲勞斷裂的關(guān)鍵件（圖6為疲勞斷口微觀形貌演變示例）。

  航空發(fā)動機(jī)的高溫環(huán)境極易加速產(chǎn)品密封件的老化，密封圈老化受外力破裂后會導(dǎo)致漏油（如圖7所示）。此外，飛行任務(wù)多變，導(dǎo)致燃油控制裝置載荷交變，會加速活門組件的彈簧應(yīng)力松弛，彈簧應(yīng)力松弛將導(dǎo)致燃油計(jì)量不準(zhǔn)確。在外場使用中，燃油調(diào)節(jié)器中的分油活門還存在介質(zhì)污染偶發(fā)活門卡滯等故障。

  盡管歐美發(fā)達(dá)國家燃油控制裝置也出現(xiàn)上述故障形式，但我國同種類型的產(chǎn)品故障率明顯更高，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命遠(yuǎn)低于國外一流水平。例如，國外軍用發(fā)動機(jī)的燃油泵和燃油附件首翻期均已突破2000h，其壽命已突破5000h，而國內(nèi)同種類型的產(chǎn)品壽命則明顯低于該水平。因此有必要針對上述典型故障開展以可靠性和壽命提升為目標(biāo)的共性技術(shù)研究。

  產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般來說包括性能及可靠性設(shè)計(jì)兩類，目前我國航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置的自主設(shè)計(jì)技術(shù)基本掌握。可靠性作為產(chǎn)品的基本屬性，是一門獨(dú)立的新興學(xué)科，其涉及概率統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)工程、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理等。近幾十年國外在可靠性技術(shù)方面取得了長足的發(fā)展，形成了由可靠性要求、設(shè)計(jì)與分析、驗(yàn)證與評價三部分所組成的技術(shù)體系，其發(fā)展大致分為以下五個階段：準(zhǔn)備和萌芽階段（20世紀(jì)30年代至40年代）、興起和獨(dú)立階段（20世紀(jì)50年代）、全面發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代）、深入發(fā)展階段（20世紀(jì)70年代至80年代）、全新發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今）。

  美國最早在《適航性統(tǒng)計(jì)學(xué)注釋》中提出飛機(jī)各種失效造成的事故率不應(yīng)超過10-5次/h，明確定義了相關(guān)可靠性概念。隨后提出了著名的《軍用電子設(shè)備的可靠性》報(bào)告，制定了一系列可靠性軍用標(biāo)準(zhǔn)，并帶動其他幾個國家（蘇聯(lián)、日本、瑞典、德國等）修訂了一系列軍用標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)60年代，可靠性得到了全面發(fā)展，這一階段可靠性基礎(chǔ)理論、工程方法取得了系統(tǒng)性成果，開發(fā)了蒙特卡洛模擬法可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)，發(fā)展了FMECA，F(xiàn)TA等可靠性分析技術(shù)，使得美國的可靠性理論及工程應(yīng)用技術(shù)處于國際領(lǐng)頭羊?，F(xiàn)階段可靠性工程技術(shù)發(fā)展到了一個全新的階段，被提升到與性能同等主體地位，全面貫徹到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，并遵循覆蓋全生命周期的“并行設(shè)計(jì)尋優(yōu)”研發(fā)思路。

  隨著航空發(fā)動機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速的提升，高可靠長壽命設(shè)計(jì)與評估技術(shù)已成為現(xiàn)代飛行器、發(fā)動機(jī)等航空機(jī)械產(chǎn)品中一項(xiàng)很重要且一定要遵循的準(zhǔn)則。美國已制定并逐步完善了航空產(chǎn)品的可靠性管理、可靠性試驗(yàn)、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)計(jì)和評估的大量標(biāo)準(zhǔn)、手冊和指南，慢慢地發(fā)展并形成了以可靠性為中心的維修思想，頒發(fā)了以可靠性為中心的維修大綱。20世紀(jì)70年代美國建立了全國性的可靠性數(shù)據(jù)交換中心，NASA的可靠性有關(guān)技術(shù)成果對燃油控制裝置的高可靠長壽命設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)技術(shù)也有重要借鑒作用。此外，歐美發(fā)達(dá)國家很重視可靠性工程應(yīng)用軟件的研發(fā)，已形成了多個成熟的可靠性分析軟件，例如美國UNIPASS公司開發(fā)的UNIPASS軟件、美國西南研究院開發(fā)的NESSUS軟件、美國應(yīng)用研究聯(lián)營公司開發(fā)的PROFES軟件、奧地利LeopoldFranzens大學(xué)開發(fā)的COSSAN軟件、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)的PERMAS-RA/STRUREL軟件、法國LaMI/BlaisePascal大學(xué)開發(fā)的PHIMECA軟件、美國California大學(xué)開發(fā)的CalREL/FERUM/Opensees軟件、挪威DNV軟件公司開發(fā)的PROBAN軟件及ANSYS公司開發(fā)的ANSYS軟件。上述軟件均集成了最新的可靠性和可靠性靈敏度分析方法，通過自建模型或與成熟商用建模軟件的接口聯(lián)合使用，在解決大型復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的可靠性分析與設(shè)計(jì)中發(fā)揮了巨大作用。

  燃油控制裝置作為機(jī)械產(chǎn)品其可靠性設(shè)計(jì)及分析技術(shù)與電子科技類產(chǎn)品有所區(qū)別，在可靠性設(shè)計(jì)及分析過程中常面臨以下問題：（1）燃油控制裝置的機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜，涉及的專業(yè)面廣。（2）各類故障問題分布未知，故障判據(jù)方法未知。（3）耐久性要求高。（4）故障模式類型多，故障因素復(fù)雜，相關(guān)性高。（5）零部件故障數(shù)據(jù)少且離散程度較大。（6）受載荷影響明顯。（7）高空飛行工作條件、環(huán)境條件復(fù)雜且極端惡劣。（8）工藝加工技術(shù)限制導(dǎo)致產(chǎn)品性能差異較大。（9）試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)條件限制導(dǎo)致沒辦法保障充分的試驗(yàn)。因此，在燃油控制裝置的可靠性分析和設(shè)計(jì)方面，應(yīng)重視利用以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，指導(dǎo)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)。同時，應(yīng)注重故障模式分析和研究，通過對故障機(jī)理的研究，采取改進(jìn)措施提升產(chǎn)品的可靠性。

  基于上述技術(shù)特征，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的可靠性設(shè)計(jì)與分析研究，包括以下方面：（1）在故障分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定，完成了可靠性設(shè)計(jì)、可靠性措施的經(jīng)驗(yàn)條理化、規(guī)范化。（2）進(jìn)行了故障模式的分析研究，提出了FMECA，F(xiàn)TA等多種分析手段。（3）考慮產(chǎn)品各個數(shù)據(jù)的離散性，開展了產(chǎn)品的功能性分析。（4）進(jìn)行了零部件的應(yīng)力強(qiáng)度干涉及概率設(shè)計(jì)，從而衡量零部件的安全裕度。（5）從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始開展維修性相關(guān)研究。（6）針對振動、沖擊、防塵和產(chǎn)品密封等，開展了大量的耐環(huán)境設(shè)計(jì)研究［28］。（7）開展產(chǎn)品可靠性分配及預(yù)計(jì)工作。（8）針對多種故障模式分析問題，開展了相關(guān)性分析研究。（9）積累了大量的可靠性試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)，包括壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)、可靠性能的鑒別確定及驗(yàn)收試驗(yàn)等。

  國外在機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)開展了多方面研究工作，積累了大量的研究基礎(chǔ)，國內(nèi)較國外有一定差距，特別在燃油控制裝置的可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)方面，國內(nèi)尚未建立系統(tǒng)性的相關(guān)研究，存在著工作開展不足、技術(shù)積累不夠等問題，同國外相比存在技術(shù)滯后性。

  燃油控制裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、具有眾多設(shè)計(jì)參數(shù)，利用單純的可靠性設(shè)計(jì)方法同時確定多個設(shè)計(jì)參數(shù)是極為困難的，必須結(jié)合優(yōu)化理論進(jìn)行機(jī)械部件與結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化，發(fā)揮可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力。機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)源于Feigen和Hilton對安全性條件下結(jié)構(gòu)重量最小的設(shè)計(jì)問題的研究。20世紀(jì)末期，國外在機(jī)械可靠性理論研究得到深入發(fā)展的基礎(chǔ)上，基于可靠性理論解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性優(yōu)化問題取得了較大發(fā)展。

  Elishakoff等提出采用不確定性的凸集模型來描述數(shù)值問題和工程實(shí)際問題，并進(jìn)行非概率可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)；Dimitrov等基于有限元分析技術(shù)提出了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠性分析的模型因子校正法，將其應(yīng)用于渦輪葉片的可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)中；Youngsop等在標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)面法的基礎(chǔ)上提出了基于可靠性分析的拓?fù)鋬?yōu)化方法，并將該方法應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率；Giuseppe等提出隨機(jī)振動結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)方法，并以調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)為例驗(yàn)證了該方法的有效性；Mourelatos等提出了一種基于證據(jù)理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能快速搜索到最優(yōu)點(diǎn)的臨近區(qū)域并確定起作用約束，從而將證據(jù)理論引入了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中；Alyanak等采用一種梯度映射方法發(fā)展出一種基于證據(jù)理論的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；此外，由于可靠性靈敏度分析方法在機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具備極其重大作用，很多學(xué)者提出了很有效的可靠性靈敏度分析方法，并在實(shí)際工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用。Ho?benbicher和Rackwitz提出了可靠性對隨機(jī)變量的敏感度概念；Bjerager和Krenk在敏感度概念提出后，進(jìn)行了一階的可靠性靈敏度問題研究；Karam?chandani和Cornell提出了基于二次二階矩的可靠性靈敏度分析方法；Melchers提出基于蒙特卡洛模擬快速近似求解可靠性靈敏度分析方法；Ambartzu?mian等采用差分法來求解系統(tǒng)可靠性靈敏度問題，取得了良好的應(yīng)用效果。綜上可知，近年來，國外對機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)開展了大量研究，理論方法及應(yīng)用成果顯著，并引領(lǐng)前沿理論和應(yīng)用的發(fā)展。

  在國內(nèi)，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。Zhan等在建立可靠性拓?fù)鋬?yōu)化模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用水平集法對柔順機(jī)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)；Meng等利用子集模擬近似逼近可靠度及順序優(yōu)化求解模型方法對液壓傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)；張春宜等在極值響應(yīng)面法可靠性分析基礎(chǔ)上，建立了柔性機(jī)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的均值模型，并應(yīng)用一次二階矩法對模型進(jìn)行了求解；韓彥彬等將均值模型及概率模型與分解協(xié)調(diào)理論相結(jié)合，提出了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的均值-概率分解協(xié)調(diào)法，并將該方法應(yīng)用于柔性機(jī)械臂可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中；張義民等將隨機(jī)模擬方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出了機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的隨機(jī)模擬-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一種新的方法。

  總體而言，國內(nèi)的機(jī)械產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究同國外相比，均存在一定滯后性和技術(shù)差距，其可靠性優(yōu)化的計(jì)算效率和精度并不能夠達(dá)到理想要求，仍處于初期探索階段。而燃油控制裝置的可靠性優(yōu)化技術(shù)更是目前行業(yè)內(nèi)仍未被關(guān)注的技術(shù)短板，燃油控制裝置的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)還有大量深入的工作需開展。

  隨著對航空燃油控制裝置可靠性要求的逐步的提升，試驗(yàn)技術(shù)對高可靠長壽命產(chǎn)品研制目標(biāo)的驗(yàn)證具備極其重大的支撐作用。目前，通過傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)較難在計(jì)劃可行的時間內(nèi)完成產(chǎn)品的可靠性評估。此外，由于產(chǎn)品的更新迭代速度不斷加快，對產(chǎn)品壽命信息的快速獲取提出了更高的要求。因此，做到合理有效的壽命試驗(yàn)在可靠性試驗(yàn)工程領(lǐng)域受到了廣泛重視。現(xiàn)階段研究人員針對壽命試驗(yàn)開展了大量的研究工作，形成了眾多研究成果。

  在載荷譜研究方面，由于現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)長時間在高溫、高轉(zhuǎn)速的苛刻條件下工作且經(jīng)常變換工作狀態(tài)，故障類別與故障模式繁多且復(fù)雜。從我國航空發(fā)動機(jī)故障統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)故障約占總故障的60%~70%，是構(gòu)成發(fā)動機(jī)安全的主要威脅。發(fā)動機(jī)載荷譜能否真實(shí)反映發(fā)動機(jī)的實(shí)際使用情況直接影響到發(fā)動機(jī)壽命評定結(jié)果。我國軍標(biāo)GJB241-87、美國軍標(biāo)MIL-E-5007D及結(jié)構(gòu)完成性大綱MIL-STD-1784精確指出，載荷譜是進(jìn)行零部件應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、零部件及整機(jī)耐久試驗(yàn)以及壽命分析的依據(jù)。載荷譜貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及定壽的全過程之中，通過產(chǎn)品載荷譜的制定可以有明顯效果地提高壽命評定的可靠性，從而保障其使用安全。航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的載荷譜研究起步于1969-1973年間，標(biāo)志性成果為美國空軍結(jié)構(gòu)完整性方案設(shè)想的提出，到美軍標(biāo)MIL-E-5007D發(fā)表。1974—1978年間，美國進(jìn)行全美廣泛的調(diào)查，獲得各類發(fā)動機(jī)的飛行任務(wù)剖面，在外場收集實(shí)際的飛行任務(wù)譜作為設(shè)計(jì)工作循環(huán)，進(jìn)行了載荷譜制定和分析的相關(guān)研究。國外有關(guān)航空發(fā)動機(jī)載荷譜公開文獻(xiàn)較少。我國航空發(fā)動機(jī)載荷譜研究起步于20世紀(jì)70年代，曾先后對渦噴、渦槳、渦軸等多種類型發(fā)動機(jī)的載荷譜進(jìn)行了全面調(diào)查、空測和統(tǒng)計(jì)，獲得了大量有用的飛行剖面和任務(wù)混頻信息。載荷譜的數(shù)據(jù)處理方法主要是采用循環(huán)計(jì)數(shù)法，其中工程中使用最多的是雨流計(jì)數(shù)法。雨流計(jì)數(shù)法確定的次循環(huán)完全和材料應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線相對應(yīng)，能反映低循環(huán)疲勞損傷。目前，國內(nèi)外常用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行低循環(huán)疲勞計(jì)數(shù)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜使用，在工程應(yīng)用中取得了有效發(fā)展，達(dá)到較好的工程計(jì)數(shù)效果。

  在完全壽命試驗(yàn)研究方面，隨機(jī)械產(chǎn)品向復(fù)雜化、小型化、精密化發(fā)展以及現(xiàn)代航空工業(yè)的需求，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性需求日益增多，能否將已成熟的電子科技類產(chǎn)品的可靠性壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸囼?yàn)方法，運(yùn)用到機(jī)械產(chǎn)品的可靠性壽命試驗(yàn)中來，一直是可靠性壽命試驗(yàn)討論的焦點(diǎn)。1977年，美軍可靠性、有效性與維修性技術(shù)小組（JLCG-RAM），專門對機(jī)械產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)辦法來進(jìn)行調(diào)研，得出關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)的共識、技術(shù)上的缺陷。通過對國防裝備系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)部門的調(diào)查，得出軍標(biāo)MIL-STD-781并不適用于機(jī)械設(shè)備的可靠性試驗(yàn)。學(xué)術(shù)界對機(jī)械產(chǎn)品的失效概率密度分布，所持觀點(diǎn)也各不相同，Bochi認(rèn)為：整機(jī)各零部件的失效概率密度分布，可以近似認(rèn)為服從指數(shù)分布，他認(rèn)為運(yùn)用指數(shù)分布來評估機(jī)械產(chǎn)品壽命過于保守。但大多數(shù)試驗(yàn)表明，機(jī)械產(chǎn)品失效概率密度分布，大多服從對數(shù)正態(tài)分布或者威布爾分布。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代初，為了貫徹落實(shí)“軍工產(chǎn)品質(zhì)量第一”方針，逐步的提升航空裝備的可靠性水平，原國防科工委制定了《航空技術(shù)裝備壽命和可靠性工作暫行規(guī)定》。為了具體實(shí)施《暫行規(guī)定》，又相繼制定和頒發(fā)了關(guān)于飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、機(jī)載設(shè)備、機(jī)載武器系統(tǒng)壽命和可靠性工作的8個附件。由于航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、精密配合偶件多、尺寸小且精度要求高，實(shí)際工作中面臨著高溫、高壓和強(qiáng)振動載荷的嚴(yán)苛環(huán)境，對系統(tǒng)元件的可靠度要求比較高。完全壽命試驗(yàn)等傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)難度較大，需要消耗一定的人力、物力，因此為了更好的提高產(chǎn)品試驗(yàn)效率、提升產(chǎn)品研制過程中的經(jīng)濟(jì)性，加速壽命試驗(yàn)研究成為了當(dāng)前主要研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外開展了大量的研究工作且形成了一定的研究成果。美羅姆航展中心1967年首次給出了加速壽命試驗(yàn)的統(tǒng)一定義。國外科研工作者對于加速壽命試驗(yàn)理論層面的研究重點(diǎn)集中于試驗(yàn)方法和估計(jì)方法的精確化和高效化上，包括試驗(yàn)估計(jì)方法的適應(yīng)性研究，試驗(yàn)應(yīng)力的組合加載方案設(shè)計(jì)，高精度加速模型建模方法研究等。西方國家在進(jìn)行導(dǎo)彈的定壽延壽時應(yīng)用了加速壽命試驗(yàn)技術(shù)。美國把加速壽命試驗(yàn)當(dāng)作導(dǎo)彈武器裝備的一種壽命預(yù)測技術(shù)，利用加速老化技術(shù)提供了48個月常規(guī)使用的壽命預(yù)報(bào)。俄羅斯研制防空導(dǎo)彈系統(tǒng)的火炬設(shè)計(jì)局，開發(fā)了“加速儲存壽命試驗(yàn)”和“技術(shù)運(yùn)輸試驗(yàn)”等技術(shù)，并取得了卓著成效。20世紀(jì)70年代初，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入我國，引起了統(tǒng)計(jì)學(xué)界與可靠性工程界的廣泛關(guān)注，主要以應(yīng)用為主、研究與應(yīng)用相結(jié)合的狀態(tài)。目前加速壽命試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用場景范圍比較廣泛，具體的應(yīng)用對象包括導(dǎo)彈、彈藥、航空輸油泵、航空液壓泵、航空燃油泵、軸承、齒輪、低壓電機(jī)等。隨著加速壽命試驗(yàn)方法的逐漸成熟，我國還制定了加速壽命試驗(yàn)相應(yīng)的國標(biāo)、軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如1981年頒布了恒定應(yīng)力試驗(yàn)的4個國家標(biāo)準(zhǔn)（GB2689.1~4-81）；2004年頒布裝備可靠性工作通用要求（GJB450A-2004）；2009年頒布了裝備的可靠性能的鑒別確定和驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GJB889A-2009）。當(dāng)前，加速壽命試驗(yàn)方法主要開展了恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（Constant Stress Accelerated Life Testing，CSALT）、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（Step-Stress Accelerated Life Testing，SSALT）和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)（Progressive Stress Accelerated Life Testing，PSALT）等3種基本類型的研究，由于CSALT方法表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性和便捷性，其在實(shí)際工程應(yīng)用中得到了快速發(fā)展。

  針對發(fā)動機(jī)燃油控制裝置的加速壽命試驗(yàn)，美國早期采用加速壽命試驗(yàn)技術(shù)考核產(chǎn)品可靠性，而近年來技術(shù)發(fā)展則傾向于采用超速（115%）、超壓試驗(yàn)的耐久試驗(yàn)，通過耐久試驗(yàn)載荷譜的考核則意味著燃油控制裝置能夠很好的滿足飛機(jī)在任何惡劣工況下飛行的壽命指標(biāo)要求。俄羅斯從20世紀(jì)80年代至今仍參考已發(fā)布實(shí)施的加速壽命試驗(yàn)方法指南開展，我國當(dāng)前仍參考了俄羅斯的試驗(yàn)技術(shù)體系，采取加速壽命試驗(yàn)開展燃油控制裝置的試驗(yàn)考核。由于燃油控制裝置包含的零組件較多，通常結(jié)合不同的試驗(yàn)對象及其常見的故障模式獨(dú)立開展加速壽命試驗(yàn)，如分別開展燃油泵（離心泵、齒輪泵、柱塞泵）和燃油調(diào)節(jié)器（定壓活門、安全活門、計(jì)量活門、電液伺服閥等相關(guān)組件）的加速壽命試驗(yàn)，目前企業(yè)也均制定了關(guān)于燃油離心泵、齒輪泵、柱塞泵及調(diào)節(jié)器的加速壽命企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如HB/Z288-96《航空發(fā)動機(jī)柱塞式燃油泵加速等效試車規(guī)程設(shè)計(jì)指南》。由前文可知，在燃油控制裝置中，主要部件為物理運(yùn)動部件、液壓部件、橡膠制品、電在允許電壓下不導(dǎo)電的材料及其他部件；主要失效模式：磨損型、疲勞型、老化型。失效模式是選擇加速壽命模型的主要是根據(jù)。在選擇加速模型時，主要選取阿倫尼斯加速模型、逆冪律加速模型、緬因納法則、艾林模型、綜合試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷瘸墒旒铀倌Ｐ?。?jīng)過大量實(shí)際產(chǎn)品的試驗(yàn)對比分析以及結(jié)合燃油控制裝置的典型故障，目前認(rèn)為針對老化的失效模式可選擇阿倫尼斯或艾林加速模型，而泵、滑閥等磨損、疲勞等失效模式選擇逆冪律模型更適合，但由于燃油控制裝置的故障模式和失效機(jī)理很復(fù)雜，模型中的參數(shù)還要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，在應(yīng)用該模型時，還存在一個問題是多個應(yīng)力之間的關(guān)系是不是真的存在疊加的關(guān)系（乘積關(guān)系或其他關(guān)系），目前難以確定，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。燃油控制裝置的另一重要故障模式是漏油，主要是由O形橡膠圈的破壞造成，橡膠件一般進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，此方面的資料比較多，但難以取得。橡膠件的加速模型和逆冪律模型可共同組成燃油控制裝置的綜合加速模型，通常情況綜合加速因子為3~4，最終具體的加速模型的確定還要通過多次試驗(yàn)進(jìn)行有關(guān)驗(yàn)證。在燃油控制裝置開展加速壽命試驗(yàn)中，需編制加速等效試驗(yàn)大綱，大綱中必須預(yù)先規(guī)定以下狀態(tài)：一是保持加速試驗(yàn)狀態(tài)的等效使用狀態(tài)，即裝用發(fā)動機(jī)的飛機(jī)總剖面的使用狀態(tài)；二是保持地面慢車、起飛、爬升、巡航、空中慢車、著陸慢車、最大連續(xù)狀態(tài)。

  綜上，壽命及可靠性的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)對實(shí)現(xiàn)高可靠長壽命燃油控制裝置的研制至關(guān)重要。目前，國內(nèi)針對燃油控制裝置的載荷譜研究仍未形成有效的制定方法，同時相關(guān)壽命及可靠性試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)條件相對于國外仍有所差距，未能有效提出加速壽命試驗(yàn)中加速模型、加速比以及加速因子的確定及驗(yàn)證方法。

  在可靠性評估驗(yàn)證領(lǐng)域，因產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜原因，大多數(shù)研究是基于小子樣數(shù)據(jù)完成的可靠性評估。小子樣情況下的可靠性評估方法研究，可減少試驗(yàn)次數(shù)、人力、物力和財(cái)力消耗等，具備極其重大的理論價值和實(shí)際的工程意義。

  目前，小子樣統(tǒng)計(jì)推斷分析評估方法慢慢的受到重視。國外針對小子樣統(tǒng)計(jì)方法有序貫決策、Bayes方法，Bootstrap方法和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論（SLT）支持向量機(jī)（SVM）方法等。美軍在20世紀(jì)80年代基于Bayes小子樣理論開展了“潘興II”導(dǎo)彈的可靠性評估，1984年美軍提出一定要采用序貫分析方法或Bayes小子樣理論開展昂貴系統(tǒng)的破壞性試驗(yàn)。此后，Willits和Dietz等分別對二項(xiàng)分布和指數(shù)壽命單元組成的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析。Springer和Thompson運(yùn)用Mellin變換得到嚴(yán)格的置信下限方法。由于Mellin變換方法只適用于簡單的可靠性結(jié)構(gòu)，如串、并聯(lián)系統(tǒng)，且表達(dá)式相當(dāng)復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)較難，因此，Dietrich等進(jìn)一步提出了Chebyshev多項(xiàng)式逼近法。Winterbottom提出了Cornish-Fisher展開法等。國防科技大學(xué)的張金槐針對武器裝備試驗(yàn)分析預(yù)評估的特點(diǎn)，在小樣本可靠性評估方法方面取得了很多的成果。北京航空航天大學(xué)的傅惠民也進(jìn)行了大量小子樣統(tǒng)計(jì)推斷方法研究。在小子樣可靠性評估方法研究中，Bayes方法取得了較多的成果，蔣喜等針對基于Bayes的小子樣開展了可靠性評估，取得了精確的結(jié)果。

  國內(nèi)開展小子樣統(tǒng)計(jì)推斷理論的研究始于20世紀(jì)60年代，尤其在80年代之后有了較大的進(jìn)步，特別是在武器系統(tǒng)的試驗(yàn)評估和鑒定方面，研究和發(fā)展了一系列的小子樣統(tǒng)計(jì)推斷方法，包括Bayes方法，Bootstrap方法、BayesBootstrap方法、小子樣的相容性檢測驗(yàn)證的方法、極值分布分位點(diǎn)法等。Bootstrap方法是Efron于1979年提出的一種逼近復(fù)雜統(tǒng)計(jì)量估計(jì)值分布的通用方法，Bootstrap方法被認(rèn)為是統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域重要成果之一。1995年，Vapnik等在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新型學(xué)習(xí)算法——支持向量機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化歸納原則，具有完備的統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)和出色的學(xué)習(xí)性能，其主要內(nèi)容是在1992—1995年間完成的，并在多個領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。在可靠性領(lǐng)域，支持向量機(jī)的應(yīng)用探索仍在發(fā)展中，主要思路是利用支持向量機(jī)判別能力結(jié)合MonteCarlo模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性以及小子樣的情況下逼近隱式界限狀態(tài)方程。馮蘊(yùn)雯等針對較小子樣條件下成敗型產(chǎn)品做了可靠性評估方法研究。劉晗對驗(yàn)前數(shù)據(jù)的獲取和處理進(jìn)行了總結(jié)，包括仿真試驗(yàn)信息、單元和分系統(tǒng)試驗(yàn)信息、相似系統(tǒng)信息、單元與分系統(tǒng)在不同環(huán)境下試驗(yàn)信息、歷史信息、專家意見信息，并對常見的可靠性單元模型的Bayes評定進(jìn)行研究。王軍波等針對高價值引信試驗(yàn)成本過高問題、提出使用卡方擬合優(yōu)度法來確定繼承因子，有效地減少了靶場試驗(yàn)量。在Bootstrap方法研究，國防科技大學(xué)劉建等在文獻(xiàn)中考慮到Bootstrap方法本身的計(jì)算特性，即只能從原樣本再采樣，限制了自助樣本的生成范圍，因此通過對自助樣本生成范圍的拓展，提出了改進(jìn)的Boot?strap方法，獲得了更加精確的參數(shù)估計(jì)。海軍工程大學(xué)兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所屈斐、王樹宗等提出了一種基于Bootstrap方法，通過魚雷各部件可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算魚雷系統(tǒng)可靠性近似置信下限的評估方法，數(shù)據(jù)模擬計(jì)算表明，用Bootstrap方法求得的置信下限滿足工程應(yīng)用的精度要求。西北工業(yè)大學(xué)李洪雙、呂震宙等將Bootstrap方法引入到小子樣場合下的置信下限計(jì)算中，與傳統(tǒng)的單側(cè)容限系數(shù)法和新單側(cè)容限系數(shù)法進(jìn)行了大量的對比計(jì)算，算例表明，Bootstrap方法明顯優(yōu)于其他兩種方法。

  當(dāng)前，計(jì)算機(jī)仿真方法被廣泛地應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性評定中，Tian等總結(jié)對比了經(jīng)典方法、Bayes方法和Monte-Carlo方法在系統(tǒng)可靠性置信區(qū)間估計(jì)方法。Martz和Duran對經(jīng)典的等效系統(tǒng)方法、BayesMonte-Carlo方法和Bootstrap辦法來進(jìn)行了比較，并指出在大多數(shù)情況下，Bootstrap方法和Bayes-Bootstrap方法較好。段曉君等指出，大子樣下Bayes方法的優(yōu)勢很明顯，但小子樣下的誤差不可忽略。因此，在燃油控制裝置這類復(fù)雜對象的可靠性評估中，Bayes評估理論具有舉足輕重的地位，其應(yīng)用場景范圍將會慢慢的廣。

  上述研究旨在通過基于失效樣本數(shù)據(jù)對產(chǎn)品可靠性指標(biāo)和壽命分布進(jìn)行推斷。另一種研究思路是通過將物理失效機(jī)理建模與概率安全分析結(jié)合對產(chǎn)品可靠性和壽命指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。此類研究要建立各主要失效模式的物理機(jī)理模型以及材料、加工、制造、服役載荷等隨機(jī)參數(shù)的概率模型。

  基于失效物理的可靠性技術(shù)關(guān)鍵問題之一是針對故障模式的失效機(jī)理建模。針對2.2小節(jié)所論述的燃油控制管理系統(tǒng)的汽蝕、磨損、疲勞、老化等典型故障，需要在多物理場仿真的基礎(chǔ)上，建立各個故障機(jī)理模型，通過模型仿真復(fù)現(xiàn)故障，并基于該機(jī)理模型建立失效判據(jù)的界限狀態(tài)方程。上述建模過程涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、斷裂力學(xué)等多學(xué)科知識。一般而言，無論機(jī)理模型建立得如何精細(xì)，受制于復(fù)雜物理機(jī)制，其預(yù)測與真實(shí)情況還會存在一定差距，可結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對機(jī)理模型做驗(yàn)證與確認(rèn)，必要的情況下需要采用確定性或不確定性的模型修正方法，對機(jī)理模型的模型誤差和模型參數(shù)進(jìn)行修正或推斷。

  在失效機(jī)理建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性評估的辦法能夠分為四類：（1）近似解析法，最重要的包含一次二階矩、二次二階矩等，此類方法計(jì)算效率高，通常用于非線）隨機(jī)模擬法，包括重要抽樣、子集模擬、線抽樣等，此類方法適用于高維小概率問題，但是計(jì)算代價一般較高；（3）概率守恒方法，包括概率密度函數(shù)演化、直接概率積分等，此類方法適合使用的范圍廣，但同樣計(jì)算代價大；（4）基于代理模型的主動學(xué)習(xí)算法，此類方法將代理模型與隨機(jī)模擬法通過主動學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，兼具代理模型高效性和隨機(jī)模擬法精度高的優(yōu)點(diǎn)，是近年來國際上的研究熱點(diǎn)之一。

  綜上可知，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和基于失效物理的可靠性技術(shù)目前均得到了較為充足的發(fā)展。兩類技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。基于失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法由于子樣量一般較少，較難準(zhǔn)確獲得產(chǎn)品壽命分布特征，而基于失效物理的可靠性預(yù)測方法難點(diǎn)則在于難于準(zhǔn)確模擬性能退化及失效的物理過程，因此近些年將失效數(shù)據(jù)和失效物理相結(jié)合的可靠性預(yù)測技術(shù)慢慢的變成為國際研究熱點(diǎn)。通過采集可靠性試驗(yàn)過程中與失效機(jī)制相關(guān)的物理量，對失效物理模型進(jìn)行修正，并將失效數(shù)據(jù)與物理模型可靠性預(yù)測信息進(jìn)行融合，是實(shí)現(xiàn)高可信可靠性預(yù)測的可行途徑，其關(guān)鍵技術(shù)在于建立高精度失效物理模型、參數(shù)不確定性模型、多源數(shù)據(jù)同化等。

  當(dāng)前，我國燃油控制裝置仍未形成有效的可靠性設(shè)計(jì)體系，近年來隨技術(shù)的積累和發(fā)展，自主設(shè)計(jì)能力大幅度提高，但產(chǎn)品研發(fā)的正向設(shè)計(jì)體系仍不夠完善。圖8給出了當(dāng)前行業(yè)中可靠性體系的不足。能夠準(zhǔn)確的看出，當(dāng)前行業(yè)對可靠性指標(biāo)在整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的指導(dǎo)不夠重視，僅關(guān)注產(chǎn)品的性能，忽視了壽命、可靠性對產(chǎn)品研制過程的重要影響。

  當(dāng)前行業(yè)關(guān)于燃油控制裝置可靠性設(shè)計(jì)體系的不足，重點(diǎn)是未將可靠性考慮在每個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，僅在產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)收時，對其可靠性指標(biāo)（主要對壽命）進(jìn)行了初步驗(yàn)證，忽略了可靠性需貫穿在產(chǎn)品的整個設(shè)計(jì)過程中這一核心思想。此外，目前全行業(yè)尚未建立燃油控制裝置有效、全面的可靠性數(shù)據(jù)庫，無論是針對同一產(chǎn)品或同種類型的產(chǎn)品，僅存的數(shù)據(jù)中存在著數(shù)據(jù)不清楚、不全面、記錄錯誤等多種主觀及客觀不確定性問題，無法將豐富的資源有效利用于設(shè)計(jì)中，未形成可靠性設(shè)計(jì)的有效迭代。除此之外，未涉及到性能、壽命、基本可靠性參數(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)，各階段性的設(shè)計(jì)并未貫徹規(guī)范可行的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

  可靠性工程技術(shù)已成為國際機(jī)械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，大型航空發(fā)動機(jī)公司（如GE公司和羅羅公司）和研究機(jī)構(gòu)都對發(fā)動機(jī)可靠性設(shè)計(jì)投入了巨大的人力與財(cái)力，開展了大量的故障機(jī)理研究、設(shè)計(jì)技術(shù)探討研究和試驗(yàn)技術(shù)探討研究，深入探索影響系統(tǒng)可靠性的重要的條件。例如，英國羅羅公司針對齒輪泵磨損失效，建立了動靜壓軸承潤滑仿真機(jī)理模型，為以降低磨損故障率、提升軸承壽命為目標(biāo)的可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。對于高可靠、長壽命、低成本的燃油控制裝置，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家重點(diǎn)開展了性能及可靠性的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)探討研究，采取了預(yù)先研究和型號應(yīng)用相結(jié)合的措施，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推出新技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不斷推廣應(yīng)用，緊緊地圍繞結(jié)構(gòu)壽命長、可靠性高、成本低、質(zhì)量輕、適用性很強(qiáng)等方面做相關(guān)技術(shù)的深入探索，取得了成熟且豐碩的研究成果，表現(xiàn)出的成果為國外同類產(chǎn)品的工作壽命及可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國內(nèi)同類產(chǎn)品。

  （1）技術(shù)需求方面，我國航空發(fā)動機(jī)工業(yè)正處于追趕超越到自主創(chuàng)新階段，科研人員普遍認(rèn)識到產(chǎn)品耐久性、可靠性的重要性，早期因未重視可靠性的應(yīng)用，導(dǎo)致故障問題突出，盡管當(dāng)前對可靠性的重要性已經(jīng)得到充分的重視，但早期研發(fā)設(shè)計(jì)的慣性思維難以立即轉(zhuǎn)變，目前現(xiàn)有型號的設(shè)計(jì)過程中僅在局部考慮了相關(guān)可靠性問題，仍未將可靠性技術(shù)貫穿到產(chǎn)品的整個研制過程中。

  （2）燃油控制裝置作為一類典型的機(jī)械產(chǎn)品，可借鑒機(jī)械產(chǎn)品的可靠性分析、靈敏度設(shè)計(jì)和可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等相關(guān)研究成果。但對機(jī)械產(chǎn)品而言，以空化、磨損、疲勞、老化等典型故障機(jī)理建模方法及模型修正方法還存在不足，時變耗損型故障特性的仿真計(jì)算、漸變可靠性靈敏度計(jì)算及時變可靠性分析高效算法等關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破。與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平相比，我國在燃油控制裝置的可靠性理論研究基礎(chǔ)較為薄弱，新技術(shù)的應(yīng)用及有效性還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

  （3）在工程應(yīng)用方面，可靠性技術(shù)應(yīng)用于燃油控制系統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)仍然不夠徹底，多是可靠性有關(guān)技術(shù)的局部應(yīng)用，如故障診斷技術(shù)、故障樹分解、可靠性試驗(yàn)鑒定等相關(guān)應(yīng)用研究。目前還沒有形成從產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和使用全壽命周期的應(yīng)用。在可靠性標(biāo)準(zhǔn)方面，跟蹤、借鑒了國外標(biāo)準(zhǔn)，依托自主設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新技術(shù)所獨(dú)立制定的標(biāo)準(zhǔn)較少。

  （4）由于機(jī)械可靠性仍存在較多難題需要解決，且機(jī)械可靠性研究過程中的較多失效機(jī)理不明，導(dǎo)致理論和工程應(yīng)用脫節(jié)。盡管可靠性相關(guān)理論研究層出不窮，但與實(shí)際產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度小，缺少工程應(yīng)用，尤其是示范應(yīng)用少，究其本質(zhì)還是關(guān)于產(chǎn)品及其零部件的失效機(jī)理未探明，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性失效數(shù)據(jù)未系統(tǒng)性建立，開展可靠性設(shè)計(jì)評估分析的極限狀態(tài)方程難以準(zhǔn)確建立，上述因素也是長期制約我國航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置可靠性發(fā)展的最重要問題。

  當(dāng)前在燃油控制裝置研發(fā)過程中的性能和可靠性設(shè)計(jì)分析、可靠性優(yōu)化理論、可靠性試驗(yàn)方法以及評估方法等技術(shù)尚未進(jìn)行綜合應(yīng)用，燃油控制管理系統(tǒng)朝著長壽命、高可靠方向發(fā)展，應(yīng)開展燃油控制裝置性能及可靠性一體化綜合設(shè)計(jì)，其中主要面臨以下技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

  燃油控制裝置通常承受變應(yīng)力載荷譜，為保證壽命模型建模的準(zhǔn)確性，需要基于飛行剖面給出其常規(guī)載荷譜統(tǒng)計(jì)和折算方法。由于實(shí)際飛行剖面通常是階段性載荷，不同載荷切換過程中存在一定的沖擊載荷，且不同的飛行歷程中泵實(shí)際承受的載荷存在一定的隨機(jī)性。因此在常規(guī)載荷譜統(tǒng)計(jì)和折算過程中，需要充分考慮載荷的階段性、載荷切換過程中的沖擊以及不同樣本在不同飛行歷程下載荷的隨機(jī)性，并考慮載荷作用順序?qū)鄯e損傷效應(yīng)的影響。

  典型元件的故障往往是在產(chǎn)品服役相當(dāng)長時間后發(fā)生的，這些故障往往與關(guān)鍵部件的性能耗損、退化有關(guān)。當(dāng)前國內(nèi)對幾種主要的耗損型故障機(jī)理開展了一定的仿真、試驗(yàn)研究。通過仿真求解技術(shù)模擬了典型元部件的時變耗損故障特性。同時在產(chǎn)品所經(jīng)歷的時間歷程中，能夠從仿真角度預(yù)測應(yīng)力、應(yīng)變等輸出性能。但由于試驗(yàn)條件的限制，仿真技術(shù)未得到有效的試驗(yàn)驗(yàn)證，特別是在磨損、疲勞、汽蝕等高精度特性的仿真技術(shù)方面缺乏有效驗(yàn)證手段，導(dǎo)致仿真技術(shù)成熟度低，無法直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

  隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展，對燃油系統(tǒng)的性能、可靠性要求越來越高，在高性能的基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)高可靠、長壽命的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需同時對性能和可靠性開展優(yōu)化策略研究。由于燃油控制裝置是由多種燃油泵、活門組件、電液伺服閥、電磁閥等元件組成，參數(shù)變量極多。當(dāng)前在燃油控制裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，都是以局部優(yōu)化為主，并未系統(tǒng)性開展燃油控制裝置的整體優(yōu)化研究。因此，如何在實(shí)現(xiàn)高性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到長壽命及高可靠的優(yōu)化目標(biāo)，是開展燃油控制裝置可靠性研究中面臨的一個重要挑戰(zhàn)。

  燃油控制裝置可靠性參數(shù)評估過程中存在樣本小、不確定性大等問題，導(dǎo)致其可靠性評估的難度極大。Bayes方法可用概率密度函數(shù)來描述對參數(shù)的不確定程度，能夠根據(jù)所掌握的信息不斷地更新對所建立模型的確定性程度，從而提高小子樣機(jī)械產(chǎn)品可靠性評估結(jié)果的精確性。然而在實(shí)際過程中，燃油控制裝置可靠性參數(shù)的先驗(yàn)分布一般是根據(jù)已有信息（先驗(yàn)信息）的情況去選擇合適的分布模型擬合，并不能保證先驗(yàn)分布與總體分布的共軛，實(shí)際大部分的先驗(yàn)分布大都不是共軛情況。在非共軛先驗(yàn)分布的Bayes評估過程中，關(guān)鍵問題是確定可靠性參數(shù)的后驗(yàn)分布。當(dāng)后驗(yàn)分布存在多個未知參數(shù)時，通過積分濾掉多余參數(shù)，進(jìn)而求得待估參數(shù)的邊沿后驗(yàn)分布十分困難。

  燃油控制裝置的加速壽命試驗(yàn)技術(shù)相對較為薄弱，主要的方法均借鑒國外加速壽命試驗(yàn)有關(guān)技術(shù)，但尚未對加速壽命試驗(yàn)中加速因子的選取、加速模型的選擇、加速試驗(yàn)件數(shù)量及加速比的確定開展有效的驗(yàn)證，未建立有效可行的加速壽命試驗(yàn)規(guī)范。

  燃油控制裝置作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中多考慮性能設(shè)計(jì)，未將可靠性設(shè)計(jì)與評估融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，導(dǎo)致當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置壽命、可靠性指標(biāo)較低，無法滿足航空發(fā)動機(jī)的高可靠工作要求。僅從可靠性理論研究而言，相關(guān)理論研究與仿真已較為成熟，甚至領(lǐng)先于解決實(shí)際產(chǎn)品需要的理論方法。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性之所以長期以來難以結(jié)合到產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，核心問題一方面還是產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行過程中的物理失效機(jī)理尚未完全探明，另一方面機(jī)械產(chǎn)品可靠性研究的測試數(shù)據(jù)難以獲取或積累相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)成本過于昂貴、周期過于長久，導(dǎo)致可靠性設(shè)計(jì)理論難以落地和應(yīng)用。

  為了更好地將可靠性理論貫徹到產(chǎn)品的研發(fā)體系中，參考了美國航空產(chǎn)品先進(jìn)的可靠性設(shè)計(jì)流程，給出我國燃油控制裝置設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)及其面臨的問題挑戰(zhàn)和建議（如圖9和表1所示）。在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段，從系統(tǒng)工程角度，要將可靠性設(shè)計(jì)方法、分析方法、仿真方法、試驗(yàn)方法貫徹落實(shí)。在方案論證、初步設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)各個階段，必須將專業(yè)化、流程化融入設(shè)計(jì)體系中，包括可靠性歷史信息的統(tǒng)計(jì)及分析、可靠性分配與預(yù)計(jì)等工程技術(shù)的貫徹與落實(shí)、嚴(yán)重影響壽命的耗損型故障特性的仿真計(jì)算、壽命與可靠性仿真分析、產(chǎn)品的壽命與可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證及評估等，還包括整個設(shè)計(jì)過程中采用FMECA，F(xiàn)TA等提高可靠性的具體措施等。

  基于上述分析，為了能夠更好地使得可靠性理論方法應(yīng)用至燃油控制裝置的研發(fā)過程中，還需加強(qiáng)以下研究工作。

  （1）產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)初期，應(yīng)重視開展燃油控制裝置性能和可靠性協(xié)同設(shè)計(jì)及評估研究。在探明燃油控制裝置典型元部件的失效機(jī)理基礎(chǔ)上，開展失效機(jī)理的仿真計(jì)算模型研究，要強(qiáng)化仿真失效機(jī)理模型的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合不同階段的技術(shù)成熟度要求，分階段逐步深化試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，積累充分大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。只有經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的仿真技術(shù)，才能真正指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而從物理機(jī)理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)兩個維度探明燃油控制裝置關(guān)鍵元件失效演變過程，為開展后續(xù)可靠性設(shè)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。

  （2）重視解決確定性設(shè)計(jì)和不確定性設(shè)計(jì)兩類問題，在探明失效機(jī)理的過程中完成和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能、壽命等確定性的設(shè)計(jì)后，還應(yīng)開展燃油控制裝置產(chǎn)品不確定性設(shè)計(jì)研究。不確定性通常包括主觀不確定性、客觀不確定性問題，研究過程中需要通過相關(guān)概率方法進(jìn)行概率表征，并基于相關(guān)代理模型完成可靠性設(shè)計(jì)。

  （3）重視產(chǎn)品性能與可靠性的一體化設(shè)計(jì)與評估。建立考慮燃油控制裝置的性能、耐久性（壽命）和可靠性的一體協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，完成性能符合要求、長壽命、高可靠的整體協(xié)同構(gòu)架設(shè)計(jì)。建立產(chǎn)品驗(yàn)前信息和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的可靠性評估模型，完成燃油控制裝置的可靠性參數(shù)評估。

  產(chǎn)品的研發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及基礎(chǔ)理論及工程技術(shù)，涵蓋材料、工藝、仿真、試驗(yàn)等多個環(huán)節(jié)，上述的研究建議僅是從可靠性研究角度提出，相關(guān)研究建議涵蓋面不能顧及所有學(xué)科研究工作。最終理論方法的貫徹和應(yīng)用，應(yīng)以企業(yè)實(shí)際需求為牽引，聯(lián)合相關(guān)研究人員共同開展研究攻關(guān)，從而形成可指導(dǎo)行業(yè)建立燃油控制裝置的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為開展高可靠燃油控制裝置的正向設(shè)計(jì)和工程研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

  當(dāng)前，航空發(fā)動機(jī)外廠使用中燃油控制裝置的故障率占比高，產(chǎn)品的壽命及可靠性具有較為明顯的不足，高可靠長壽命燃油控制裝置作為現(xiàn)代先進(jìn)航空動力的技術(shù)發(fā)展趨勢，燃油控制裝置性能及可靠性的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)是我國航空動力領(lǐng)域必須突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前國外先進(jìn)動力強(qiáng)國對高可靠、長壽命、低成本的燃油控制裝置的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)研究，采取了預(yù)先研究和型號應(yīng)用相結(jié)合的措施，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，推出新技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不斷推廣應(yīng)用。緊緊地圍繞結(jié)構(gòu)壽命長、可靠性高、成本低、質(zhì)量輕、適用性強(qiáng)等方面進(jìn)行了有關(guān)技術(shù)的深入探索。

  對于我國航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域而言，技術(shù)水平與西方發(fā)達(dá)國家仍有差距：燃油控制裝置產(chǎn)品產(chǎn)生故障的機(jī)理尚未完全探明，開展產(chǎn)品可靠性研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫尚不充分，對產(chǎn)品可靠性工程技術(shù)基礎(chǔ)性、通用性和戰(zhàn)略性的地位與作用重視不夠，造成我國有關(guān)技術(shù)的發(fā)展與國外相比還有顯著差距。為縮短與國外差距，加快實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量放心可靠的航空發(fā)動機(jī)燃油控制裝置，應(yīng)在高可靠長壽命燃油控制裝置的性能及可靠性協(xié)同設(shè)計(jì)上，基于正向設(shè)計(jì)思維開展研究工作，在真正探明產(chǎn)品各類故障的失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，形成產(chǎn)品性能及可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、優(yōu)化方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，切實(shí)為燃油控制裝置的正向設(shè)計(jì)和工程研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)