CC BY
62
УДК 629.7.025.001.2:620.193.
В.А. Горшков, С.Е. Швец ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НЕЧЕТКОГО ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ КОРРОЗИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ САМОЛЕТОВ МЧС
РОССИИ
Предложен способ оценки степени коррозионного поражения самолетов МЧС России, основанный на использовании метода нечеткого логического вывода. Особое внимание уделяется практическому применению данного способа в предметной области, связанной с авиационной деятельностью. Сделан вывод о целесообразности использования нечеткой логики в условиях неопределенности и неполноты знаний.
Ключевые слова: коррозионное повреждение, методы теории нечеткой логики, лингвистическая переменная, продукционное правило, функция принадлежности, терм.
V. Gorshkov, S. Shvets USE OF METOD OF THE INDISTINCT LOGICAL CONCLUSION FOR THE ASSESSMENT OF EXTENT OF CORROSION DAMAGE OF AIRCRAFT OF THE MINISTRY OF EMERGENCY SITUATIONS
The way of an assessment of extent of corrosion damage of aircraft of the Ministry of Emergency Situations based on use of an indistinct logical conclusion is given. The special attention is paid to practical application of this way in the subject domain connected with aviation activity. The conclusion is drawn on expediency of use offuzzy logic in the conditions of uncertainty and incompleteness of knowledge.
Keywords: corrosion damage, fuzzy logic, linguistic variable, function of accessory, term.
Острота проблемы обеспечения долговечности самолетов возникла и стала значимой в связи с широкомасштабным географическим применением самолетов для решения задач МЧС России. Вследствие этого агрегаты функциональных систем самолетов работают в большом диапазоне давлений и температур в контакте с разнообразными коррозионными средами, стимулирующими возникновение и развитие практически всех видов коррозионных повреждений.
Существующие в настоящее время методы прогнозирования коррозионных процессов, как правило, базируются на результатах натурных и ускоренных климатических испытаний отдельных образцов материалов и не могут быть использованы для прогнозирования коррозионной ситуации в недоступных зонах и зонах сложных неразъемных мест сочленений различных конструкционных материалов фюзеляжа, крыла, киля и других агрегатов планера самолетов.
Целью настоящей работы является разработка математической модели коррозионного состояния сложных технологических систем и исследование негативного воздействия факторов среды на процессы питтингообразования и коррозионного растрескивания алюминиевых сплавов конструкции планера летательных аппаратов МЧС России.
Модель оценки степени коррозийного поражения самолетов.
Низкая структурированность проблемы и высокая вариативность задач, требующих решения в рамках выделенной проблемы, определяет в качестве основного метода их решения применение способа интеллектуального анализа данных, основанного на использовании нечеткого логического вывода.
Метод нечеткой логики делает возможным построение и реализацию в системе интеллектуальных функций, основанных на анализе неполной информации о предметной области, удобного пользовательского интерфейса, в котором вывод данных имеет такие сходства с результатами человеческих рассуждений, как приближенность, неуверенность и субъективизм [1]. Модели, разработанные на основе этого метода, по сути, представляют собой модели реальных систем с определенным множеством входных и выходных переменных, для формализации которых используется лингвистический подход, а зависимость «выхода» от «входов» описывается на качественном уровне в форме условных высказываний - продукционных правил. Функциональная схема процесса нечеткого логического вывода представлена на рис. 1.
Рис.1. Функциональная схема нечеткого логического вывода
На первом этапе в блоке лингвистического представления осуществляется процесс фаззификации, в рамках которого принадлежность каждого точного значения входной переменной к одному из термов (описанию словами естественного языка) лингвистической переменной определяется посредством функции принадлежности. В настоящее время сложилось мнение, что для большинства приложений достаточно от 3 до 7 термов на каждую переменную [2]. Вид функции принадлежности должен задаваться, исходя из особенностей моделируемого процесса.
Для связи лингвистических переменных определяются продукционные правила. Типичное продукционное правило состоит из антецедента (часть «если» ...) и консеквента (часть «то» ...). Если антецедент содержит более одной посылки, то они объединяются посредством логических связок «и» или «или».
Для определения степени принадлежности всего антецедента правил используются два оператора: МШ(...) и МАХ(...). Первый вычисляет минимальное значение степени принадлежности, а второй - максимальное значение. Подобным образом посредством этих же операторов вычисляется значение консеквента. Исходными данными для этого служат вычисленные на предыдущем шаге значения степеней принадлежности антецедентов правил.
Основной целью дефаззификации является использование результатов аккумуляции всех выходных лингвистических переменных для получения обычного количественного значения каждой из выходных переменных, которое может быть использовано специальными устройствами, внешними по отношению к системе нечеткого вывода.
Концептуальная схема модели оценки степени коррозийного поражения представлена на
рис. 2.
Рис. 2. Концептуальная схема оценки коррозионного поражения силовых конструкций самолетов МЧС России
В работах [3, 4, 5, 6] показано, что наиболее агрессивными факторами среды, стимулирующими процесс развития коррозии алюминиевых сплавов, являются содержание хлорид-ионов и SO2 в атмосфере, среднегодовые температура и влажность окружающего воздуха, которые в виде четырех лингвистических переменных подаются на вход модели. Функции принадлежности входных лингвистических переменных зададим в виде 5-ти терм: одной z-образной, трех колоколообразных и одной s-образной (рис.3).
30 -Ж 10 О 10 20 ЭО 40 too IHMKK п»РМШ1 ) ТПГОЮТУР« »MJ) ■> rptWOHUI. С J««*.««............ 4 DmouiT.llMM •В—ноет* *
в) г)
Рисунок 3 - Термы, описывающие входные лингвистические переменные: а) содержание хлорид-ионов в атмосфере; б) содержание сернистого газа в атмосфере; в) среднегодовая температура воздуха; г) относительная среднегодовая влажность воздуха
Нижняя граница функции принадлежности, характеризующей содержание хлорид-ионов в атмосфере аэродрома базирования, равна 0,3 мг/(м2хут.), что соответствует чистой сельской атмосфере, а верхняя - 45 мг/(м2сут.), что соответствует жесткой атмосфере морских тропиков.
Сернистый газ является активатором коррозии алюминиевых сплавов, но не таким сильным, как хлорид-ионы [3]. Согласно ГОСТ 15150-69, за нижнюю границу содержания сернистого газа можно принять 5 мг/(м2 сут.), что соответствует чистой сельской атмосфере, за верхнюю - 150 мг/(м2сут.), характерную атмосфере промышленных центров тяжелой промышленности и мегаполисов.
Температура воздуха влияет на процесс развития общей коррозии алюминиевых сплавов [3, 4, 5], поэтому в различных климатических зонах коррозионное поражение развивается с различной скоростью. Для входной лингвистической переменной «Температура воздуха среднегодовая» нижнюю границу определим равной -10 С, что соответствует субарктическому климату, а верхнюю границу равной 25 С, что соответствует экваториальному климату.
Для входной переменной «Относительная влажность воздуха среднегодовая» нижнюю границу определим равной 65%, что соответствует сухой атмосфере вдали от водоемов, а верхнюю -98%, что соответствует атмосфере в открытом море.
В блоке правил №1 происходит взаимное увязывание входных переменных модели с промежуточными переменными, характеризующими площадь поверхностной коррозии, глубину проникновения язвенной коррозии, количество очагов сквозной коррозии и глубину проникновения расслаивающей коррозии.
Для формирования лингвистических правил в блоке правил №1 предположим, что чем выше содержание хлоридов, сернистого газа, температура и влажность воздуха, тем интенсивнее развивается коррозия алюминиевых сплавов, причем наибольшее влияние оказывают именно хлориды и влажность воздуха [1, 2, 3]. В целом, блок № 1 содержит 625 продукционных правил Ь] вида:
Ь1 =(А)\1<е[0,3...12}чА12 е[0.. .50^А12 е[- 10...0]чА14 е[50...65])^[(в)];; е[0..2200]-Ь'2 =(А]П е [0,3... 12]ч А12 е [в...50^ А12 е [-10...0^ А 4 е [50. ..75])^[(в)];; е [в... 1200] Ь1 =(А]11е[0,3...12]чА12 е[0...50^ А 2 е[-10...0]vА14 е[б5...85])^[(Я)]п е[0...120в]
¿625 = (А]ие[32...45^А12 е[100...150^А12 е[б5...35^А4 е[75...98])^[(в)]и е[400в]
Продукционные правила в блоке №2 связывают полученные скорости различных видов коррозии с промежуточной переменной «Степень коррозионного поражения за год». При составлении правил постулировалось, что если скорость коррозии высокая, то и степень коррозионного поражения будет высокой. А наибольшее влияние на степень коррозионного повреждения будет оказывать быстрое развитие таких структурных видов коррозии, как расслаивающая и сквозная коррозии.
В качестве идентифицирующих правил для оценки степени коррозионного повреждения агрегатов планера самолетов МЧС РОССИИ за календарный год были выбраны правила, представленные в таблице 1.
Блок № 2 содержит 2400 продукционных правил Ь2 вида:
Ь =(А)1б е[0...1200^ А22 е[1...2^ А22 е[0...2\^ А24 е[0...0,7])^[(в)]зб е[0...0,25] Ь22 =(а)]21 е[0...2200]]vА22 е[б...3^А22 е[0...2\^А24 е[0,1...б]М(я)2 е[0...0,25] Ь23 =(Ае[0..2300^ А22 е[б...3^А22 е[0...2\^А24 е[0,7..2,5])^[(в)^ е[0,15...0,35]
Ь22400 = (А)]зб е[4000..5000]v А33 е[0,7...1,5\^ А33 е[8..20^ А34 е[3,4...3]М(в)2 е[0,85...0,б]
Блок продукционных правил № 3 предназначен для связи лингвистических переменных, характеризующих срок службы, налет и степень коррозионного поражения самолета за календарный год, с выходной переменной «Коэффициент коррозионного поражения».
Оценочные правила для оценки коррозионного повреждения
№ п/п Диапазон Описание степени коррозионного повреждения
1 0...0,1 очень низкая (незначительное количество очагов поверхностной коррозии)
2 0,2 низкая (поверхностная коррозия)
3 0,3 малозначительная (преобладание зон поверхностной коррозии над другими видами коррозионных повреждений)
4 0,4 ощутимая (многочисленные очаги поверхностной коррозии с наличием одиночных зон язвенной и точечной коррозии)
5 0,5 средняя (наличие зон поверхностной коррозии и зон развитой язвенной и точечной коррозии)
6 0,6 значительная (наличие зон поверхностной коррозии с очагами глубокой язвенной коррозии и отдельных очагов расслаивающей коррозии)
7 0,7 высокая (наличие очагов язвенной коррозии и многочисленных очагов расслаивающей коррозии)
8 0,8 очень высокая (наличие зон глубокой расслаивающей коррозии большой площади и единичных очагов сквозной коррозии)
9 0,9.1 критическая (многочисленные очаги расслаивающей и сквозной коррозии)
При этом постулируется, что чем дольше срок службы, тем больше вероятность развития коррозионных поражений, и чем больше простой летательного аппарата, тем интенсивнее протекают процессы коррозии. Блок № 3 содержит 250 продукционных правил Ь3 вида:
Ь] =(А)]31^[0...0,15\чЛ32 0...6^ Л32 & [0...700]^[(В)]31 & [0...0,05\
Ь32 = (Л\31е[0...0,15\чЛ32 е \0...6Л32 е[200...1000\^[(В)\31 е[0...0,05\
Ь] ={А\31е[0...0,15\чЛ32 G[0...6\vЛ32 е[800...2000\^[(в)\31 е[0,05...0,125}
ЬЗзо = ^^[0,85.1^ Л32 е[14...20]v Л32 е[2200...3000]^[(в) ^ е[0,92...1]
Оценка степени коррозионного поражения самолетов МЧС России.
Рассмотрим применение описанного выше метода нечеткого вывода к оценке коррозионного поражения силовых конструкций самолетов, выполненных из алюминиевых сплавов.
Оценка адекватности разработанной модели выполнена с использованием имеющейся статистики о коррозионных повреждениях основных агрегатов планера самолетов Ил-76ТД государственной авиации. Выбор самолетов был обусловлен тем, что самолеты Ил-76ТД эксплуатируются и в МЧС России, но места базирования самолетов государственной авиации в климатическом отношении более разнообразные и охватывают северные, южные и западные территории России. В качестве основного показателя воспользуемся критерием Колмогорова-Смирнова. В таблице 2 представлены усредненные площади поверхностной коррозии, выявляемые на элементах и агрегатах функциональных систем самолетов МЧС России, имеющих различный срок службы.
Таблица 2
Результаты оценки адекватности разработанной модели
Точка базирования самолетов Срок службы самолета, лет Площадь поверхностной коррозии, м2 (накопленная за данный срок службы) Степень различия Б
Статистика Модель
Зона 1 12,5 0,0173 0,0283 0,0110
Зона 2 13 0,0177 0,0210 0,0086
Зона 3 11,5 0,0079 0,0203 0,0124
Исходные данные были сгруппированы по точкам постоянного базирования самолетов МЧС России и для каждой точки были рассчитаны средние площади поверхностной коррозии. Альтернативная выборка площадей коррозии была получена путем нечеткого моделирования на разработанной модели.
Проведённые проверочные процедуры показали, что результаты расчётов удовлетворительно согласуются с данными актов технического освидетельствования самолетов МЧС России с уровнем значимости & = 0.05. Из расчётов следует: В = 0,0124; X = В^п = 0.021. Табличное значение Ла равно X = 1.2737. Поскольку 2<2а, то можно считать, что результаты оценки адекватности модели удовлетворительно согласуются с реально протекающими процессами коррозионного поражения исследованных самолетов.
Следовательно, разработанную модель и оценочные правила можно использовать для оценки коэффициента коррозионного повреждения дюралюминиевых силовых конструкций (табл. 3).
Таблица 3
Оценочные правила для оценки коэффициента коррозионного повреждения агрегатов силовых конструкций
самолетов
№ п/п Диапазон Описание степени коррозионного повреждения
1 0 отсутствие очагов коррозии на силовых конструкциях самолета
2 0,1 наличие единичных зон коррозионных повреждений конструкции
3 0,2 наличие единичных коррозионных повреждений, сгруппированных в коррозионную зону поражения
4 0,3 наличие единичных зон коррозионных повреждений, сгруппированных в локальные коррозионные зоны
5 0,4 единичные локальные коррозионные зоны поражения элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции самолета
6 0,5 единичные локальные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на элементе конструкции самолета
7 0,6 единичные локальные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции
8 0,7 обширные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции
9 0,8 обширные зоны расслаивающей коррозии элемента конструкции, локализованные на нескольких элементах конструкции в совокупности с наличием на элементах сквозной коррозии
10 0,9.. .1 обширные зоны расслаивающей коррозии, локализованные на нескольких элементах конструкции в совокупности с наличием на элементах обширных зон сквозной коррозии
С помощью модели был проведён расчёт коэффициентов коррозионного повреждения самолетов государственной авиации Ил-76ТД. Исходные данные, необходимые для расчётов,
приведены в таблице 4. Результаты расчётов представлены в таблице 5.
Таблица 4
Исходные данные для расчёта коэффициента коррозионного повреждения
№ п/п Зона дислокации самолетов Содержание в воздухе: Температур а воздуха, ° С Относитель ная влажность, % Срок службы самолета, лет Налет самолета, ч
С1-ионов, мг/(м2-сут) 802, мг/(м2-сут)
1 Зона 1 20 10 4,5 73 14 435
2 Зона 1 20 10 4,5 73 15 1196
3 Зона 2 24 5,6 0,4 70 16 720
4 Зона 2 24 5,6 0,4 70 8 348
5 Зона 3 21 5 4,5 73 14 200
6 Зона 3 21 5 4,5 73 12 1989
7 Зона 4 1,6 7 7,7 76 13 459
8 Зона 4 1,6 7 7,7 76 13 616
Результаты прогнозных расчётов коэффициентов коррозионного поражения самолетов Ил-76ТД
№ п/п Зона дислока -ции Площадь поверхностной 2 коррозии, мм в год Глубина язвенной коррозии, мм в год Количество очагов сквозной коррозии в год Глубина расслаивающей коррозии, мм в год Степень коррозионного поражения Коэффициент коррозионного поражения
1 Зона 1 2787 1,59 4...5 1,62 0,56 0,72
2 Зона 1 2787 1,59 4...5 1,62 0,56 0,66
3 Зона 2 2502 1,52 5 1,54 0,55 0,71
4 Зона 2 2502 1,52 5 1,54 0,55 0,63
5 Зона 3 3032 1,76 5...6 1,78 0,68 0,85
6 Зона 3 3032 1,76 5...6 1,78 0,68 0,71
7 Зона 4 1021 0,63 2 0,63 0,14 0,28
8 Зона 4 1021 0,63 2 0,63 0,14 0,27
Таким образом, использование метода нечеткого логического вывода делает возможным в условиях неполноты и приближенных сведений проведение прогнозных расчётов по оценке рисков возникновения и развития опасных коррозионных повреждений силовых элементов конструкции летательных аппаратов в зависимости от таких условий их эксплуатации, как климатические условия, срок службы и налет воздушного судна.
Литература
1. Вахитов, А.Р., Силич, В.А. Использование нечеткого логического вывода для интеллектуального анализа данных: «Известия Томского политехнического университета», Т.317, № 5, 2010г.
2. Прикладные нечеткие системы: Перевод с япон./ К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.; под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено.-М.: Мир, 1993.
3. В. С. Синявский, В. Д. Вальков, В. Д. Калинин. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1986. 368 с.
4. Ю. М. Панченко, П.В. Стрекалов, В.П. Жиликов, С. А. Каримова, Л. Г. Березина. Зависимость коррозионной стойкости сплава Д16 от засоленности и метеопараметров приморской атмосферы: «Коррозия: материалы, защита», № 8, 2011г.
5. С. А. Каримова, В.П. Жиликов, А.А. Михайлов, Д.В. Чесноков, Т.Н. Игонин, В.А. Карпов. Натурно-ускоренные испытания алюминиевых сплавов в условиях воздействия морской атмосферы: «Коррозия: материалы, защита», № 10, 2012г.
6. Михайловский Ю.М. Атмосферная коррозия металлов и методы их защиты. М.: Металлургия, 1989.
102 с.
Рецензент: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель наук и техники Воскобоев В.Ф.
