Dynamic reliability assessment of aero-engine components using dependence-aware PNET and mechanism-informed aging correction

في قلب محرك نفاث حديث، تعمل مجموعة صغيرة من الأجزاء المعدنية تحت ظروف قد تذيب معظم المواد. هذه المكونات، المعروفة باسم القسم الساخن، تقع بين الوقود المحترق والتوربين الدوار. وهي تتحمل حرارة شديدة، واهتزازات عنيفة، وقوة ساحقة للهواء المتحرك بسرعات تفوق سرعة الصوت. ومع مرور الوقت، تؤدي هذه البيئة القاسية إلى إضعاف المعدن، أو تشققه، أو تآكله. ويجب على المهندسين التنبؤ بدقة بالوقت الذي ستفشل فيه هذه الأجزاء لضمان بقاء المحرك آمنًا. فإذا خمنوا وقتًا مبكرًا جدًا، سيستبدلون قطعًا لا تزال جيدة، مما يهدر الأموال ويعطل الطائرات. وإذا خمنوا وقتًا متأخرًا جدًا، فقد يتعرض المحرك للفشل أثناء الطيران. التحدي يكمن في أن هذه الأجزاء لا تتقادم في خط مستقيم بسيط؛ فهي تعاني من أنواع مختلفة من الأضرار في آن واحد، مثل الشقوق الناتجة عن الاهتزاز، والتآكل الناتج عن الاحتكاك، والتمدد البطيء بسبب الحرارة، وكل ذلك يحدث في وقت واحد ويؤثر كل منها على الآخر.

لعقود من الزمن، حاول المهندسون حساب سلامة هذه المحركات من خلال النظر إلى كل نوع من أنواع الضرر بشكل منفصل. كانوا يقدرون احتمالية تشكل صدع، واحتمالية حدوث تآكل، واحتمالية الضرر الحراري، ثم يضربون هذه الأرقام ببعضها البعض للحصول على درجة سلامة إجمالية. يفترض هذا النهج أن كل نوع من أنواع الضرر يحدث بشكل مستقل، مثل رمي نرد منفصل لكل منها. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، فإن نفس القوى التي تسبب صدعًا تسبب أيضًا تآكلًا. فدفعة واحدة من الحرارة العالية قد تسرع العمليتين في آن واحد. وعندما يعامل المهندسون هذه المشكلات المرتبطة كأنها غير مرتبطة، فإنهم غالبًا ما يحسبون المخاطر نفسها مرتين، مما يؤدي إلى صورة مربكة حول مدى سلامة المحرك حقًا. علاوة على ذلك، فإن مجرد عد الساعات التي طار فيها المحرك لا يروي القصة كاملة؛ فالمحرك الذي يطير في مناخ حار ورطب مع عمليات إقلاع وهبوط متكررة يتقادم بشكل أسرع بكثير من محرك يطير في بيئة هادئة وباردة، حتى لو أظهرت الساعة نفس عدد الساعات.

لقد طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لحل هذا اللغز من خلال الجمع بين فكرتين عادة ما يتم فصلهما. أولاً، ابتكروا طريقة للتعرف على متى تكون أنواع الضرر المختلفة مرتبطة بالفعل، حتى لا يتم حساب المخاطر نفسها مرتين. ثانًا، قدموا طريقة لترجمة ساعات الطيران الخام إلى مقياس للضرر الفعلي، مع مراعاة مدى مشقة عمل المحرك. وقد اختبروا هذا النظام الجديد على مجموعة شفرة وتشكيل توربين الضغط العالي، وهي جزء حيوي من المحرك النفاث يربط الشفرات الدوارة بالقرص المركزي. هذا الجزء تحديدًا مصنوع من سبائك معدنية خاصة ومثبت بهيكل معقد يشبه جذور الأشجار يسمى "وصلة شجرة الفرس" (fir-tree attachment). وهو مثال مثالي لمكون تتصادم فيه قوى الحرارة والاهتزاز والاحتكاك.

بدأ الباحثون بتحديد سبعة طرق رئيسية يمكن أن يفشل بها هذا الجزء. شمل ذلك الشقوق الناتجة عن الانحناء منخفض السرعة، والشقوق الناتجة عن الاهتزاز عالي السرعة، والتآكل حيث تلمس الشفرة القرص، والشقوق في القرص نفسه، وتقشر الطبقة الواقية، والضرر الناتج عن اصطدام الأجسام الغريبة بالشفرة، والتمدد البطيء بسبب الحرارة. وبدلاً من معاملة هذه المشكلات السبعة كسبعة أعداء منفصلين، نظر الفريق إلى كيفية تأثير كل منها على الآخر. لقد بنوا نظامًا يقيس مدى تشابه المخاطر؛ فإذا كان نوعان من الفشل مدفوعين بنفس القوى، مثل الحرارة أو الاهتزاز نفسه، فإن النظام يتعرف عليهما كزوج. ثم قاموا بتجميع هذه الإخفاقات المرتبطة معًا واختاروا الأكثر خطورة منها لتمثيل المجموعة بأكملها. هذه العملية، التي يسمونها "الفحص المدرك للارتباط" (dependence-aware screening)، تعني أنهم لم يعودوا بحاجة لحساب سلامة سبعة عناصر منفصلة، بل أصبح بإمكانهم التركيز على عدد قليل من الممثلين الرئيسيين الذين يجسدون الخطر الحقيقي للمجموعة بأكملها.

وفي تحليلهم لتجميع التوربين، وجد الباحثون أن التآكل الناتج عن الاحتكاك عند نقطة الاتصال كان الممثل الأهم لمجموعة كبيرة من الإخفاقات المرتبطة. هذا النوع الوحيد من الضرر، المعروف باسم "التآكل بالاحتكاك" (fretting wear)، حل محل الشقوق والإجهادات التي تحدث في المنطقة نفسها. ومع زيادة ساعات طيران المحرك، ظل مجموعة الإخفاقات المرتبطة مستقرة، لكن المجموعة الثانوية من الإخفاقات تغيرت. ففي بداية عمر المحرك، كان ثاني أهم نمط للفشل هو التمدد البطيء الناتج عن الحرة. ومع ذلك، مع تقادم المحرك وإجهاد المعدن، تحول التركيز؛ فأصبح الخطر الثاني الأكثر حرجًا هو تشكل صدع في فتحة القرص نفسه. أظهر هذا التحول أن الجزء الأكثر خطورة في المحرك يتغير بمرونة مع مرور الوقت، وأن قائمة المخاطر الثابتة ستغفل هذا التطور.

تناول الجزء الثاني من طريقتهم الجديدة كيفية تقادم المحرك فعليًا. أدرك الفريق أن المحرك الذي يطير في ظروف قاسية يتراكم فيه الضرر بشكل أسرع بكثير من المحرك الذي يطير في ظروف معتدلة. لقد ابتكروا طريقة لتحويل الساعات التقويمية للطيران إلى زمن ضرر مكافئ. فإذا طار المحرك ضمن ملف مهمة شاقة للغاية، فإن الساعة تعمل بشكل أسريد؛ إذ قد تحتسب ساعة واحدة من الطيران الشاق أكثر من ساعة واحدة من الضرر. ومن خلال تطبيق هذا التصحيح، وجدوا أن المحرك يتقادم بشكل أسرع مما توحي به ساعات الطيران القياسية. ومن خلال دمج معدل التقادم الأسرع هذا مع طريقتهم الجديدة في تجميع الإخفاقات المرتبطة، حصلوا على صورة أوضح بكثير لموثوقية المحرك الحقيقية.

أظهرت النتائج أن الطريقة القديمة لحساب السلامة، التي كانت تعامل كل نمط فشل كحدث مستقل وتتجاهل قسوة الطيران، أعطت درجة سلامة منخفضة بشكل مضلل؛ لأنها كانت تحسب المخاطر نفسها عدة مرات. الطريقة الجديدة، التي قامت بتجميع الإخفاقات المرتبطة، أظهرت أن المحرك في الواقع أكثر أمانًا مما اقترحته الحسابات القديمة لأنها توقفت عن مضاعفة حساب المخاطر. ومع ذلك، عندما أضافوا التصحيح الخاص بمدى سرعة تقادم المحرك فعليًا، انخفضت درجة السلامة مرة أخرى. لم يكن هذا الانخفاض بسبب سوء حالة المحرك، بل لأن الحساب استطاع أخيرًا مراعاة حقيقة أن المحدر كان يعمل بجهد أكبر مما تشير إليه ساعات الطيران البسيطة. التقدير النهائي الأكثر دقة جاء من استخدام الطريقتين معًا: تجميع الإخفاقات المرتبطة لتجنب الحساب المزدوج للمخاطر، مع تسريع الساعة لتعكس شدة الضرر الحقيقية.

لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت كل مشكلات سلامة المحركات، ولا أنها تحل محل الحاجة إلى نماذج فيزيائية مفصلة لكيفية كسر المعادن. لقد استخدم الباحثون بيانات تم تجريدها من التفاصيل الحساسة، وتعتمد طريقتهم على تقديرات متوسطة لسرعة حدوث الضرر بدلاً من محاكاة ثانية بثانية لكل اهتزاز. ومع ذلك، فإن هذا النهج يقدم أداة قوية للمهندسين؛ فهو يوفر وسيلة لفهم حالات الفشل المعقدة والمتفاعلة دون الضياع في الرياضيات لمحاولة التنبؤ بكل احتمال ممكن. ومن خلال إدراك أن بعض حالات الفشل هي "توائم" وأن الوقت يتحرك بشكل أسرع تحت الضغط، يساعد هذا الإطار المهندسين على فهم الصحة الحقيقية للمحرك. وهو يشير إلى أن الشيء الأكثر حرجًا الذي يجب مراقبته هو التآكل عند نقاط الاتصال، حيث أن هذا العامل وحده يقود غالبية المخاطر في المراحل المبكرة والمتوسطة من عمر المحرك. ومع تقدم عمر المحرك، يجب أن ينتقل التركيز إلى الشقوق التي تتشكل في فتحات القرص. هذه الرؤية الديناميكية تسمح بإجراء الصيانة ليس بناءً على التقويم فحسب، بل بناءً على القصة الفعلية التي يرويها المحرك عن تآكله واستهلاكه.