Ovaj doktorski rad opisuje razvoj metode za predviđanje preostalog korisnog životnog vijeka dijela konstrukcije podvozja lakih zrakoplova. Izrađena metoda je primjenjiva na raznim dijelovima konstrukcije, pod uvjetom da se uzmu u obzir specifični podaci koji se odnose na opterećenje, mehanička svojstva i geometriju promatranog dijela. Uvod i kontekst: Značaj održavanja zrakoplova u svrhu povećanja sigurnosti i pouzdanosti zrakoplovnih operacija je neporeciv. U suvremenim pristupima održavanju, posebice kod velikih zrakoplova, koriste se sofisticirane metode koje uključuju predviđanje i upravljanje stanjem zrakoplova (izvorni naziv: Prognostics and Health Management, skraćeno: PHM). Ove metode omogućuju predviđanje preostalog korisnog životnog vijeka (izvorni naziv: Remaining Useful life, skraćeno: RUL) zrakoplovnih dijelova, što je ključno za preventivno održavanje i povećanje sigurnosti operacija zrakoplova. Unatoč napretku u razvoju PHM metoda za velike zrakoplove, postoji nedostatak metoda i njihove primjene kod lakih zrakoplova. Primjena postojećih PHM metoda za prognozu RUL-a dijelova konstrukcije lakih zrakoplova otežana je zbog nedostatka potrebnih informacija. Primjerice, Gouriveau et al. [1] navode da moderni veliki komercijalni zrakoplovi imaju oko 300.000 senzora, generirajući pregršt informacija od kojih se neke mogu koristiti za prognozu RUL-a. Međutim, laki zrakoplovi nemaju niti približnu količinu senzora, što otežava primjenu postojećih PHM metoda. To zahtijeva razvoj alternativnih pristupa koji mogu adekvatno predviđati RUL dijelova, primjerice uporabom zapisa iz zrakoplovnih operacija, što je glavni fokus ove disertacije. Uobičajena praksa održavanja lakih zrakoplova uključuje preventivnu zamjenu dijelova na temelju fiksnih vremenskih intervala. Ovaj pristup ne uzima u obzir varijabilnost operativnih uvjeta kojima su svi zrakoplovi izloženi, što može dovesti do prerane zamjene dijelova, ili u najgorem slučaju, do otkaza, sukladno osobnom iskustvu autora ove disertacije, [2]. Ova je disertacija stoga usmjerena na razvoj metode za predviđanje RUL-a, s obzirom na postojeće informacije o stvarnim operativnim uvjetima, sa svrhom povećanja sigurnosti operacija i efikasnosti održavanja lakih zrakoplova. Problem i motivacija: Ključni problem istaknut u ovoj disertaciji tiče se izazova u predviđanju preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakih zrakoplova. Iako su metode predviđanja RUL-a uspostavljene u komercijalnom i vojnom zrakoplovstvu, laki zrakoplovi su zanemareni zbog svoje jedinstvene prirode korištenja i održavanja. Konkretno, nedostatak ugrađenih senzora u ovim zrakoplovima onemogućava primjenu standardnih PHM metoda koje se oslanjaju na kontinuirano praćenje stanja. Osim toga, održavanje lakih zrakoplova, u određenim okolnostima, može se provesti od osobe koja je istovremeno vlasnik i pilot zrakoplova, bez nužnog iskustva i školovanja potrebnog osobi koja provodi održavanje velikih zrakoplova komercijalne namjene. Nedostatak metoda i njihove primjene u predviđanju RUL-a dijelova konstrukcija lakih zrakoplova stvara potencijalne sigurnosne rizike, kao i neefikasnost u održavanju, s obzirom na to da se odluke temelje na generaliziranim intervalima zamjene, a ne na stvarnom stanju dijelova. Održavanje zrakoplova prilagođeno stvarnom stanju zrakoplovnih dijelova može dovesti do smanjenja nepotrebnih zamjena, povećanja raspoloživosti zrakoplova i, što je najvažnije, do sprječavanja otkaza tijekom operacija. Ciljevi istraživanja i hipoteze: Primarni cilj istraživanja opisanog u ovoj disertaciji je razviti metodu za predviđanje RUL-a dijelova konstrukcije podvozja lakih zrakoplova. To uključuje definiranje parametara koji opisuju zrakoplovne operacije i utječu na predviđanje RUL-a. Osim toga, cilj je razviti metodu koja će biti primjenjiva u nedostatku senzorskih podataka, čime se prevladavaju ograničenja u primjeni PHM-a nametnuta specifičnošću lakih zrakoplova. Hipoteza istraživanja temelji se na pretpostavci da se koristeći uobičajene i obavezne operativne zapise zrakoplova može predvidjeti RUL konstrukcijskih dijelova lakih zrakoplova, konkretno podvozja. Hipoteza proizlazi iz zapažanja da postojeći podaci o operacijama lakih zrakoplova sadrže informacije koje se mogu primijeniti u procjeni RUL-a dijelova konstrukcije podvozja lakih zrakoplova. Pregled literature: Proučavanje prethodno objavljenih radova u području PHM-a, konkretno prognoziranja RUL-a dijelova konstrukcije lakih zrakoplova otkrilo je nedostatak metoda prilagođenih specifičnostima lakih zrakoplova, poptu nedostatka senzora. Gotovo sve postojeće metode fokusirane su na komercijalne i vojne zrakoplove, koji nude pregršt senzorskih informacija koje je moguće koristiti u prognozi stanja dijelova konstrukcije. Međutim, laki zrakoplovi usporedno nude vrlo ograničene podatke. Temeljni mehanizam starenja dijelova konstrukcije zrakoplova koji je identificiran tijekom istraživanja opisanog u ovoj disertaciji je zamor materijala i posljedična akumulacija oštećenja. Metoda razvijena u ovom radu oslanja se na pristup određivanja RUL-a koristeći uobičajene zapise iz operacija zrakoplova. Razvijena metoda integrira informacije iz obaveznih operativnih zapisa sa izračunom akumuliranog oštećenja u promatranom dijelu koonstrukcije zbog zamora materijala. Metodološki pristup: Pristup izračunu ukupnog RUL-a promatranog dijela konstrukcije u ovom radu se temelji na integraciji operativnih podataka letenja i podataka održavanja lakog zrakoplova, s rezultatima RUL-ova izračunatih numeričkim proračunom čvrstoće za specifične operativne uvjete. Metoda uključuje identifikaciju i kvantifikaciju opterećenja koja utječu na zamor materijala tijekom dozvoljenih operacija lakog zrakoplova, koristeći prilagođene procedure za izračun te računalni model promatranog dijela za simulaciju i analizu utjecaja zamora materijala na RUL dijela konstrukcije podvozja. Ovaj pristup je inovativan zbog primjene vrlo ograničenih informacija iz operacija lakog zrakoplova u prognozi ukupnog RUL-a promatranog dijela konstrukcije. Za razvoj metode, korištena su saznanja iz područja zamora materijala, numeričkog proračuna čvrstoće metodom konačnih elemenata i analitički modeli za izračun akumuliranog oštećenja pod cikličkim opterećenjem. Metoda konačnih elemenata (FEM) upotrijebljena je uz pomoć računalnog programa u izračunu deformacija i naprezanja u promatranom dijelu konstrukcije podvozja lakog zrakoplova. Svrha primjene metode bila je utvrditi akumulirano oštećenje koje je posljedica zamora materijala. Analiza zamora materijala provedena je također u računalnom programu, s ciljem izračuna RUL-a promatranog dijela konstrukcije temeljem primjene analitičkog modela za izračun akumuliranog oštećenja na rezultate analize zamora. Ključna metodološka inovacija prikazana u ovoj disertaciji je ekspertni sustav koji integrira operativne podatke s rezultatima simulacije kako bi se izračunao ukupni RUL promatranog dijela konstrukcije. Ekspertni sustav omogućava predviđanje RUL-a bez potrebe za dodatnim izvorima informacija, poput senzorskih sustava. Izvori informacija i prikupljanje podataka: Izvore podataka korištenih u ovome radu moguće je podijeliti u tri kategorije. Prva kategorija su podaci čija je svrha bila izračun specifičnih RUL-ova koje bi promatrani dio imao da je bio izložen isključivo jednoj vrsti operacija. Zatim podaci koji su korišteni za validaciju vrijednosti korištenih u izračunu spomenutih RUL-ova. I zaključno, treća kategorija su podaci korišteni za izračun ukupnog RUL-a kojega bi promatrani dio imao da je bio izložen stvarnim (zabilježenim) operativnim uvjetima. Prva kategorija sastoji se od podataka iz uputstava za korištenje zrakoplova [3], podataka iz mjerenja koja su obavljena na promatranom zrakoplovu, [4] i podataka koji su nužni za analizu degradacije promatranog dijela konstrukcije, ( [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]). Druga kategorija podataka su podaci iz uputstava za održavanje zrakoplova [13], istraživanja u kojemu je provedeno ispitivanje zamora materijala [14] i istraživanja koja uključuju mjerenja koja su obavljena na velikom broju operacija zrakoplovima istoga tipa, [15]. Treća kategorija su podaci iz operacija promatranog zrakoplova koji se prikupljaju prema predlošku za izračun mase i težišta u uputstvima za korištenje zrakoplova, [3]. Analiza i razvoj modela i metodologije: Metoda prikazana u ovoj disertaciji integrira dostupne podatke zabilježene tijekom operacija promatranog zrakoplova sa ekspertnim znanjem koje predstavlja specifične RUL-ove koje bi promatrani dio imao kada bi bio izložen isključivo opterećenju koje je karakteristično za specifičnu vrstu operacije. Prvi korak u razvoju i primjeni metode bio je identificirati dio konstrukcije podvozja lakog zrakoplova koji je podložan oštećenju uslijed uobičajenih operacija i ključan za normalan rad podvozja. U prilog odabiru išla je činjenica da je za promatrani dio proizviđač propisao najstroži režim održavanja u uputstvima za održavanje zrakoplova. Dio prvoga koraka bio je i određivanje glavnog degradacijskog mehanizma RUL-a za promatrani dio. Degradacijski mehanizam podvozja određen je temeljem pretražene literature koja identificira glavni degradacijski mehanizam na podvozjima istog ili sličnog tipa, [16], [17], [18], [19], [20] i [21]. Drugi korak bio je priprema za analizu degradacije promatranog dijela. Priprema je uključila pretragu i analizu literature koja prikazuje metodologiju pri izračunu degradacije dijela konstrukcije, [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35] i [36]. Također, prikupljeni su i podaci iz literature koja definira svojstva materijala, potrebna za analizu degradacije promatranog dijela ( [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]). Dio drugog koraka bila je i identifikacija raznih faza operacija lakog zrakoplova, sa svrhom utvrđivanja i kvantificiranja veličina koje utječu na degradaciju promatranog dijela, [3] i [13]. U ovome koraku uspostavljena je veza između raznih operacija lakog zrakoplova i posljedičnog opterećenja relevantnog za degradaciju promatranog dijela. Treći korak bio je izrada računalnog modela za numerički proračun čvrstoće sa svrhom izračuna inkrementa degradacije koji se akumulira na promatranom dijelu tijekom dozvoljenih operacija. Promatrani dio modeliran je temeljem geometrijskih značajki koje su izmjerene na zrakoplovu koji je uzet kao primjer za implementaciju metode. Dio trećeg koraka bio je i validacija numeričkog proračuna čvrstoće sa svrhom utvrđivanja vjerodostojnosti rezultata, [14]. Validacija je obavljena prema proceduri koja se u odgovarajućim okolnotima ubičajeno primjenjuje, [37]. U četvrtom koraku izrađen je ekspertni sustav. Svrha ekspertnog sustava bila je povezati ekspertno znanje u obliku RUL-ova koje bi promatrani dio imao da je bio izložen isključivo jednoj vrsti operacija i informacija iz uobičajenih zapisa o tim operacijama. Ishod primjene ekspertnog sustava je ukupni RUL promatranog dijela obzirom na dostupne informacije iz operacija zrakoplova. Ekspertni sustav se sastoji od četiri modula: Prvi modul prikuplja znanje iz zabilješki o operacijama promatranog zrakoplova; Drugi modul pohranjuje znanje eksperta u vidu specifičnih RUL-ova koje bi promatrani dio imao da je bio izložen isključivo jednoj vrsti operacija; Treći modul je inferencijski, služi izračunu ukupnog RUL-a temeljem modificranog pravila za linearnu akumulaciju oštećenja; Posljednji, četvrti modul služi prezentaciji rezultata u obliku ukupnog RUL-a i povezivanju toga rezultata s informacijama o održavanju promatranog dijela konstrukcije. U konačnici, rezultati primjenjene metode validirani su usporedbom s rezultatima drugih metoda. Faze istraživanja i sažeci poglavlja: Prvo poglavlje sažima motivaciju i cilj istraživanja, način i svrhu pregleda literature, metodologiju istraživanja, cilj i hipotezu, očekivane znanstvene doprinose i pregled strukture ove disertacije. Drugo poglavlje bavi se analizom literature iz održavanja zrakoplova i PHM metoda s posebnim naglaskom na predviđanje RUL-a konstrukcija podvozja lakih zrakoplova. Poglavlje započinje prikazom temeljnih strategija održavanja zrakoplova. Slijedi prikaz primjena PHM-a u održavanju zrakoplova. Zatim su identificirani problemi u primjeni PHM metoda u održavanju lakih zrakoplova. Za kraj poglavlja razmatrale su se različite metode i rezultati primjenjene u predviđanju RUL-a konstrukcija podvozja. Treće poglavlje Bavi se primjenom zapisa iz operacija lakih zrakoplova u prognozi RUL-a. U svrhu identifikacije operacijskih zapisa analizirana je regulatorna podjela civilnih zrakoplova. Nakon toga je predstavljen značaj održavanja za lake zrakoplove i problem impelmentacije PHM metoda u njihovu održavanju. Zaključno, treće poglavlje prikazuje potencijalne izvore informaicja s podacima koji su relevantni za prognozu RUL-a te prikazuje korake koje je potrebno poduzeti u primjeni tih podataka u PHM metodi koju je moguće implementirati u održavanje lakog zrakoplova. Četvrto pogavlje prikazuje osnovne koncepte zamora metala koji su relevantni za istraživanje opisano u ovoj disertaciji. Pogavlje započinje detaljnim opisom različitih vrsta analize zamora, nakon čega slijedi pregled vrsta opterećenja u analizi zamora materijala. Poglavlje zatim prikazuje utjecaj usrednjenog naprezanja i važnost korekcija višeosnog naprezanja u analizi zamora. Naposljetku, poglavje raspravlja o modifikacijama zamora, sa svrhom premošćivanja jaza između teorijskih predviđanja i stvarnih događaja koji su posljedica zamora materijala. U petom poglavlju dan je prikaz razvoja metode koja je predmet ovog doktroksog istraživanja. Metoda je primjenjena na dijelu konstrukcije podvozja lakog zrakoplova. Za promatrani dio ustanovljeno je da je zamor materijala dominantan mehanizam degradacije u dozvoljenim operativnim uvjetima. Poglavlje je razrađeno kroz primjenu metode koja započinje odabirom promatranog dijela konstrukcije, za primjer je uzeta noga glavnog podvozja aviona Cessna 172R. Slijedi uspostavljanje preduvjeta za analizu zamora materijala. Preduvjeti uključuju stvaranje računalnog modela geometrije, pripadajućih svojstava materija i opterećenja koji su nužni za računalnu analizu degradacije promatranog dijela. Opisan je proces modeliranja geometrije, svojstava materijala i identifikacija faza operacija koje za posljedicu imaju različita opterećenja koja su relevantna za degradaciju promatranog dijela. Degradacija dijela analizirana je numeričkim proračunom čvrstoće u računalnom programu, a valjanost proračuna potvrđena je repliciranjem rezultata stvarnih ispitivanja iz literature. Dan je detaljan opis provedene analize zamora za izračun specifičnih RUL-ova za različite uvjete opterećenja koji su posljedica dozvoljenih operacija s promatranim zrakoplovom. Nadalje, prikazan je razvoj ekspertnog sustava kroz četiri modula s detaljnim opisom uloga u prognoziranju ukupnog RUL-a promatranog dijela. Zaključno, u petom je pogavlju prikazan i postupak za izračun ukupnih RUL-ova na primjeru noge glavnog podvozja Cessna 172R u dozvoljenim operacijama. Šesto poglavlje prikazuje rezultate izračuna ukupnih RUL-ova dobivenih u petom poglavlju. Šesto pogavlje također prikazuje i komentira statističke analize provedene nad rezultatima i to u vidu korelacijske i regresijske analize te analize senzitivnosti. Svrha analiza bila je utvrđivanje izvora prognostičke nesigurnosti i ostvarenje podloge za diskusiju o značaju i implikacijama ustanovljenih parametara sa utjecajem na RUL promatranog dijela. U zaključku disertacije sumirani su glavni doprinosi istraživanja u teorijskom i praktičnom smislu, kao i preporuke te ograničenja koja mogu biti predmet budućih istraživanja u području primjene PHM-a u održavanju lakih zrakoplova. Rezultati i analiza: Rezultati istraživanja pokazuju da je moguće prognozirati preostali korisni životni vijek (RUL) konstrukcije podvozja lakih zrakoplova koristeći podatke koji se obavezno bilježe tijekom operacija. Metoda prikazana u ovoj disertaciji omogućava kvantifikaciju i analizu akumulacije oštećenja uzrokovanih zamorom materijala, u svojstvu ključnog mehanizma degradacije konstrukcijskih dijelova izloženih dozvoljenim operativnim uvjetima. Identificirane su operativne faze lakog zrakoplova koje imaju utjecaj na RUL konstrukcije podvozja lakog zrakoplova, uključujući fazu polijetanja, slijetanja i vožnje po tlu. Metoda razvijena u ovom istraživanju može biti temelj za novi pristup održavanja konstrukcijskih dijelova lakih zrakoplova, s obzirom na stvarno stanje promatranog dijela, umjesto na unaprijed utvrđenom intervalu zamjene koji zanemaruje operativne uvjete. Pored toga, ovo istraživanje je pokazalo da je identifikacijom mehanizma degradacije konstrukcijskog dijela moguće ustanoviti ključne parametre koji utječu na RUL, što pruža mogućnost za prilagodbu održavanja specifičnim operativnim uvjetima zrakoplova. Primjena ove metode mogla bi unaprijediti održavanje lakih zrakoplova promjenom paradigme održavanja s reaktivnog u proaktivni pristup, što očekivano ima pozitivne učinke na sigurnost operacija lakih zrakoplova. Predlaže se nastavak istraživanja usmjeren na smanjenje utjecaja identificiranih izvora prognostičke nesigurnosti te proširenje metode na druge dijelove konstrukcije zrakoplova i druge zrakoplove. Zaključci i smjernice za buduća istraživanja: Metoda prikazana u ovoj disertaciji oslanja se na analizu operativnih podataka bez potrebe za dodatnim prikupljanjem podataka iz izvora poput senzora. Osobito jer senzori kod lakih zrakoplova nisu implementiranih u istoj mjeri kao kod velikih zrakoplova. Prikazano istraživanje dokazuje da se s informacijama koje se uobičajeno bilježe tijekom operacija lakog zrakoplova može prognozirati RUL dijela konstrukcije podvozja toga zrakoplova. Korištenje rezultata primjenjene metode omogućava operaterima lakih zrakoplova palniranje održavanja i zamjenu dijelova koji zavise o stvarnom stanju dijelova, umjesto o unaprijed određenom intervalu zamjene. Time se povećava sigurnost operacija lakih zrakoplova, u slučaju da je dio bio izložen uvjetima koji uzrokuju kraći RUL dijela, ili povećanje ekonomičnosti održavanja, u slučaju da je dio bio izložen operacijskim uvjetima s povoljnijim učinkom na RUL promatranog dijela. Za buduća istraživanja predlaže se: Validacija metode kroz usporedbu s ishodima stvarnih operacija; Proširenje metode s ciljem smanjenja utjecaja prognostičkih nesigurnosti na RUL; Primjena metode na drugim dijelovima konstrukcije lakog zrakoplova; Primjena metode na konstrukcijske dijelove drugih tipova zrakoplova. Izvorni doprinosi: Ova disertacija predstavlja nekoliko izvornih znanstvenih doprinosa. Prvo, definirani su parametari koji opisuju vrstu zrakoplovne operacije i utječu na predviđanje preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova. Identificirani su i kvantificirani razni čimbenici koji utječu na RUL dijela konstrukcije podvozja lakog zrakoplova, relevantan za intenzitet opterećenja, smjer i orijentaciju, kao i operativne faze lakog zrakoplova koje doprinose akumulaciji oštećenja promatranog dijela. Karakterizacijom ovih parametara, produbljeno je razmijevanje preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova pod opterećenjima koja su relevantna za zamor materijala. Drugo, razvijena je metoda za predviđanje preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova prema vrstama zrakoplovnih operacija. Ovaj znanstveni doprinos ostvaren je kroz razvijenu metodu za predviđanje preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova, ovisno o različitim vrstama zrakoplovnih operacija. Metoda se oslanja na parametre definirane u prvom doprinosu i integrira ih u računalni model koristeći računalne alate. Kao rezultat ovog pristupa, uspostavljena je metoda za procjenu preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova bez potrebe za dodatnim informacijama o operativnim uvjetima koje je moguće prikupiti, primjerice, implementacijom dodatnih senzora. Ovaj razvoj označava značajan iskorak u području preventivnog pristupa održavanju i povećanju sigurnosti operacija, s obzirom da u trenutku pisanja ove disertacije održavanje lakih zrakoplova ne uključuje nikakve postupke predviđanja preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcijskih dijelova. Treće, identificirani su parametri koji utječu na nesigurnost predviđanja preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja lakog zrakoplova. Ti parametri potencijalno obuhvaćaju greške mjerenja, varijacije u svojstvima materijala i nesigurnosti unutar operativnih uvjeta lakog zrakoplova. Dodatno, ova disertacija prikazuje primjenjive doprinose razvijene metode. Primjenjivi doprinosi su: Mogućnost prognoziranja preostalog korisnog životnog vijeka konstrukcije podvozja zrakoplova Cessna 172R ili Cessna 172N, pod uvjetom da mjerodavan promatrani konstrukcijski dio ima istu geometriju i mehanička svojstva, te da je glavni mehanizam degradacije zamor materijala; Mogućnost primjene metode na bilo koji dio konstrukcije, pod uvjetom da se model za simulaciju degradacije dijela i model opterećenja relevantnog za degradaciju odgovaraju promatranom dijelu, i da je glavni mehanizam degradacije zamor materijala.