零部件与系统动态可靠性建模理论与方法

发布时间：2020-05-19 23:04

【摘要】： 可靠性作为衡量机械产品质量的重要指标之一,已贯穿到产品的开发、设计、制造、试验、使用、运输、保管及维修等各个环节中。因此,发展和建立科学合理的可靠性分析理论与方法对于零部件和系统的设计制造、安全运行以及全生命周期管理都具有十分重要的意义。传统的可靠性建模方法是在应力(或载荷)和强度概率分布已知的前提下,直接运用应力—强度干涉理论建立零部件或系统可靠性模型。然而,这些模型并不能很好地反映零部件或系统可靠度和失效率随载荷作用次数或时间的变化规律,用这些模型计算得到的可靠度实际上是随机载荷作用一次或特定次数时的可靠度,是一个“静态”的可靠度。事实上,由于零部件和系统在服役期间所受随机载荷的作用通常是反复多次的,零部件或系统的可靠度和失效率应当是随载荷作用次数或时间而变化的。同时,传统的零部件或系统失效率计算大多基于寿命分布函数,即通过对零部件或系统失效数据的统计分析获得相应的寿命分布函数,然后,得到失效率的表达式。显然,这种失效率计算方法是以大量的产品失效数据为前提,因此,并不能在新产品的研发阶段直接指导产品的设计。对于机械系统而言,“相关”是其失效的普遍特征,忽略系统中各零部件之间以及零部件中各失效模式之间失效的相关性,简单地在失效相互独立的假设下进行零部件和系统的可靠性分析与计算,常常会导致过大的误差,甚至得出错误的结论。本文将综合运用应力-强度干涉模型、顺序统计量理论、泊松随机过程以及概率微分方程,建立零部件和系统的动态可靠性模型。考虑共因失效这种失效相关性,在不作独立假设的前提下,直接运用应力-强度干涉模型建立了多种失效模式下的零部件可靠性模型和系统可靠性模型。在分析系统可靠性模型结构特点的基础上,提出了系统强度的概念,并建立了串联系统、并联系统以及k/n系统强度的累积分布函数和概率密度函数。指出系统可靠性模型与零部件可靠性模型具有相同的结构,零部件或单元的不同组合形成不同类型的系统,具有不同的系统强度分布,使得对于同一随机载荷,不同的系统表现出不同的可靠度。分析了随机载荷多次作用下零部件和系统失效的过程,运用顺序统计量理论建立了随机载荷多次作用时等效载荷的累积分布函数和概率密度函数。进一步,建立了随机载荷多次作用下的零部件和系统可靠性模型,研究了零部件和系统可靠度与失效率随载荷作用次数的变化规律。运用泊松随机过程描述载荷作用次数随时间的变化规律,分别建立了强度不退化和强度退化时零部件和系统的动态可靠性模型,并研究了零部件和系统可靠度与失效率随时间的变化规律。研究表明,强度不退化或退化不明显时,零部件和系统的可靠度随时间逐渐降低,失效率随时间逐渐减小,失效率曲线具有“浴盆”曲线中“早期失效期”和“偶然失效期”的特征。强度退化时,零部件和系统的可靠度随时间逐渐降低且较为明显,零部件和系统的失效率曲线具有“浴盆”曲线的全部特征。指出零部件和系统早期失效以及其较高的失效率并不只是由其初始缺陷所引起,而是由随机载荷的作用和强度所共同决定的。本文所建立的零部件和系统动态可靠性模型可以动态地反映零部件和系统可靠度与失效率随载荷作用次数或时间的变化规律。在强度和载荷(或应力)概率分布以及强度退化规律已知的前提下,运用本文模型可方便地计算零部件和系统在任意时刻时的可靠度与失效率。因此,本文所提出的动态可靠性建模理论与方法可应用于零部件和系统的全生命周期管理,对于指导零部件与系统的可靠性设计、科学确定零部件与系统的试运行时间和可靠寿命以及合理制定零部件与系统的维修计划都具有重要的意义。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH122

【引证文献】