基于模型与数据驱动的航空液压管路系统振动故障诊断方法研究

The aero hydraulic pipeline systems, the most important ones of the electromechanical system in an aircraft, guarantee the flight safety greatly. The vibration faults of pipeline system often occur in the practice engineering fields, and behave different kinds such as large vibrations of pipeline body, collisions among the pipeline body and/or plane panel, the hoop loose or cracks due to vibration, pipe joint or welded joint cracks due to vibration, etc. .Considering the complicated spatial arrangement and the difficult sensor arrangement for vibration monitoring system for pipeline, the model based diagnosis method of the pipeline vibration faults is proposed based on vibration analysis and fault mechanism research of the pipeline system. The fault sensitivity analysis method is established by the vibration simulation and testing data. Another novel technology in the project is the use of the distributed fiber grating sensing for fault diagnosis along the pipelines. Moreover, the extraction method for characteristic parameters of vibration faults are investigated by the wavelet packet energy analysis and joint time-frequency analysis, then the data-driven diagnosis method for pipeline faults is established by using the dynamic principal component analysis and support vector machine analysis. Finally, the combining diagnosis methods based on both the model based diagnosis and data-driven diagnosis are validated by the experiments, and the prototype is setup. .This project can provide a valuable support for improving of fault diagnosis theories and technologies, and contribute to developing on the airborne health maintenance system of aero hydraulic pipeline system.

航空液压管路系统是保障飞机飞行安全的重要机电系统之一，在工程实际中振动故障经常发生，主要包括管体振动过大、管体之间及其与壁板碰撞、卡箍振松或振裂、管接头或焊接接头振裂等，造成严重损失。.考虑航空液压管路系统空间布置和结构形式复杂、测点布置困难等因素，在管路系统动力学与振动故障机理研究的基础上，提出基于模型的管路系统振动故障诊断方法，建立振动仿真数据与少数测点数据的相似度与故障敏感性分析方法，突破航空液压管路系统的光纤光栅传感分布式测量技术，对实测数据进行小波包能量分析和时频域联合分析，通过对比分析确定管路故障的特征参数提取方法，引入动态主元分析和支持向量机等智能诊断方法，建立基于实测数据驱动的管路故障诊断方法，并进行基于模型与数据驱动的诊断方法的综合，完成原理样机开发与试验验证。.本项目研究可为复杂液压管路系统测试诊断理论与技术发展、航空液压管路系统健康维护、机载监控与安全运行等提供支持。

针对航空液压管路系统在工程实际中经常发生管路和卡箍等振动过大、碰撞、松动、裂纹等多发故障，严重影响飞机安全运行，采用有限元分析等多种方法，系统开展航空液压管路系统的动力学模型与振动故障机理研究，分别建立典型故障的管路系统的动力学模型、复杂空间分布的管路系统模型和涂覆硬质涂层管路系统复合结构模型，全面解析典型故障管路系统及关键部件在多源激励下典型故障管路系统振动响应过程，探明了管路系统振动的激励源特征、管路流固耦合特征、管路故障振动特征、涂覆硬质涂层管路振动特征及机理，获得管路系统空间布置、材质、结构参数、管内精度等影响因素的变化规律；探究基于模型驱动管路典型故障类型、故障扩展路径和故障程度所诱发的典型振动特征，实现管路系统故障有无、故障类型、程度等的有效诊断；探究了管路系统多物理场参数的分布式测量方法的关键技术，实现基于光纤光栅传感的液压管路系统多物理场参数分布式测试技术，掌握了卡箍参数、管路和壁板碰撞参数和裂纹参数以及裂纹位置裂纹类型和裂纹程度等对管路系统振动和应变的影响规律。通过建立液压管路数据模型与数据库，引入新型多尺度主元分析诊断技术，联合小波包能量变换以及信号时频联合分析方法及光纤光栅分布式传感测量技术，并结合基于神经网络和支持向量机等诊断新方法，实现基于数据驱动的管路系统故障类型及程度的准确有效诊断，探索了对航空液压管路早期故障诊断的可能性，并阐述了采用非线性自适应卡尔曼滤波器和对偶树复小波变换等信号处理方法降噪效果的显著性，提出了基于优化VMD和CNN及DTCWT和DBN结合的航空液压管路典型混合故障精准分类诊断方法，精准率均达99%以上，为航空液压管路系统的故障准确识别及早期预测提供了新的方法和途径。初步设计搭建航空液压管路系统故障综合仿真测试试验台，设计多参数和多种功能的管路试验支撑装置。本项目研究为航空液压管路系统健康维护、在线监测应用奠定理论基础。