一、研究背景和作者信息

本文标题为“Risk Assessment of an Aging Military Aircraft”，由John W. Lincoln撰写，作者所属机构为Wright-Patterson空军基地的美国空军航空系统部（Aeronautical Systems Division, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio），发表在学术期刊《Journal of Aircraft》，刊号为第22卷第8期，出版日期为1985年8月。此外，这篇论文在1984年5月14日至16日举办的AIAA/ASME/AHS第24届结构、结构动力学与材料大会（Structures, Structural Dynamics and Materials Conference）上作为论文编号84-0851进行了展示。

二、学术背景和研究目的

在航空领域中，结构工程师必须通过各种方法预防金属疲劳开裂带来的灾难性后果。本文着重探讨一种可能不够保守的检测准则：在美国空军老化的教练机机翼结构风险评估中使用的0.9侦测概率（probability of detection, POD）损伤容限检测标准是否能够充分保护飞行安全。

随着飞机使用寿命的延长，其结构会逐渐出现由于疲劳而导致的裂纹。为了评估这种老化结构的安全性，本文采用了一种基于概率的风险评估方法，与传统的确定性损伤容限方法形成对比。研究的主要目标是探讨在更严酷的使用环境下是否需要调整检测频率和检测标准，以保证飞行安全。

三、研究流程

这项研究采用了详细的工作流程，分为几个关键步骤：

1. 样本数据采集及裂纹分布的估算：
研究首先从19对退役的训练飞机机翼上拆解获得相关裂纹数据，对结构中关键位置的疲劳裂纹情况进行定量分析。每个机翼大约包含100个关键位置（如紧固件孔、排水孔等），发现约25%的位置有裂纹，总裂纹长度上限大约为2.5毫米。这些裂纹数据形成了估算裂纹分布的基础。

2. 裂纹长度归一化处理：
由于不同飞机在不同的飞行小时数内被检测，作者通过断裂分析估算了所有19架飞机在平均飞行10,200小时数下的裂纹长度。这一归一化操作的结果用于生成累积概率分布。

3. 数据建模：
为便于计算并将累积概率分布外推至低概率事件（约10^-6），使用了Weibull分布与对数正态分布进行拟合。最终Weibull分布因其优异的拟合效果被选中。然而，小裂纹和大裂纹分布存在显著性差异，仅大裂纹部分对风险显著贡献，因此小裂纹部分被忽略。

4. 应力累积概率的推导：
通过飞行载荷应力超限函数（exceedance function），确定关键部位单次飞行遭受某应力超限的累积概率。研究还对这一函数尾部进行了数值外推以覆盖极低概率事件。

5. 联合概率分布的形成：
裂纹长度与应力的联合分布被构建，其公式为裂纹长度与应力概率密度函数的乘积。结合关键裂纹长度与应力的关系，得以计算单次飞行失效概率。

6. 风险评估计算与对比：
研究采用风险评估方法，基于新任务负载环境与旧的检测周期规则计算结构失效风险概率，并评估是否需要调整检测周期。通过累加单次飞行失效概率，进一步评估长期操作的失败风险。

四、主要结果

1. 不同检测周期条件下的单次飞行失败风险：
研究发现，按照原来的1,350飞行小时检测间隔规则，在负载环境加剧的情况下，长期单次飞行失效概率显著增加（累计失效概率达到了0.4），显著超过安全范围。这表明旧检测间隔对当前更严酷的使用环境下的结构失效风险无法提供足够保障。

2. 检测周期调整的影响：
当检测间隔缩短为400小时时，单次飞行失效概率显著降低，但长期风险累积依然较高。进一步缩短至300小时，单机失效累计概率减少了约五倍，从而达到了较为可接受的风险水平。然而，减少至200小时的进一步缩短并未带来显著必要的额外安全收益。

3. 0.9侦测概率的局限性：
若采用较高的侦测概率（如0.94的侦测概率对应的裂纹长度作为评估基准），可以有效延长检测周期并同时保证飞行安全。这说明根本原因在于0.9侦测概率的选取对于更高负载环境下显得不够保守。

五、结论与研究价值

科学与应用价值：
本文提出的风险评估方法提供了一种定量化评估飞行风险的工具，此方法特别适用于老化军事飞机的耐久性和飞行安全管理。与传统的确定性损伤容限分析相比，风险评估可通过概率模型全面考虑裂纹扩展、检测能力和操作环境间的相互作用。因此，它为领导决策者提供了更准确的信息，确保延长使用寿命的同时维持安全性。

对飞行安全的意义：
研究明确指出，在老龄化结构中，随着使用时间的增加，裂纹逐渐逼近临界长度，原有的检测标准与间隔难以充分保障安全。风险评估方法能够有效鉴别必要的检测频率，并支持对检测标准的改进建议。

六、研究亮点

1. 方法逻辑严谨：
   结合了多种概率分布模型（Weibull与对数正态分布）以拟合观测裂纹数据，并通过联合分布模型将裂纹长度和应力结合，提出了一种有理论基础且实用性强的风险评估方法。

2. 贴近实用的成果：
   研究结果表明检测侦测概率与检测间隔对风险评估的显著影响，直接为现有飞机安全管理提供可实施的技术支持。

3. 模型外推能力：
   通过累积概率和超限函数的数值外推，研究方法能够处理极低概率事件，这在飞行安全评估中极为重要。

七、其他补充内容

尽管本文重点针对教练机机翼结构进行研究，但方法学具有很大的可推广性。未来，可将风险评估方法应用于其他老龄化军用或民用飞机的飞行安全管理中。此外，作为策略建议，研究指出了新设计的飞机应更加注重材料选择与应力分布，以减少使用寿命中的检查负担并降低风险。