基于性能退化分析的可靠性方法研究

发布时间：2017-05-05 19:01

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【摘要】：可靠性工程从20世纪50年代诞生以来,一直受到学术界和工业界的极大关注,它与人身安全和社会经济效益等密切相关,是保障产品性能及安全性的强有力工具。历经半个多世纪的发展,可靠性理论和方法已被广泛应用于核电、交通、机械、电子及航空航天等重要领域。传统可靠性建模与分析方法主要是通过收集大量的失效数据,以概率论为基础进行可靠性设计与评估。随着科技的迅猛发展,重大装备正朝着大型化、精密化、复杂化和智能化的方向发展,加上新材料、新工艺及新技术的使用,其可靠性越来越高,以致很难在较短时间内收集到大量的失效数据。因此,无失效数据或失效数据较少就成为了制约重大装备可靠性设计与评估的关键因素之一。在产品的全生命周期内,除了可靠性试验收集的失效数据及信息外,还有一些信息在一定程度上也反映了可靠性的特性,如性能退化数据。在无失效数据或失效数据较少的情况下,如何综合利用上述信息已成为解决实际工程中可靠性难题的主要手段。鉴于此,本文对基于性能退化的可靠性建模与分析方法及工程应用展开相关的研究,其主要研究内容和研究成果如下:(1)基于非线性疲劳损伤累积模型的性能退化可靠性分析。为提高疲劳损伤累积模型的计算精度、完善其适用范围,本文基于Manson-Halford提出的损伤曲线法,通过引入载荷幅值比率,提出一种改进型损伤曲线法,该方法综合考虑了加载次序和载荷间相互作用效应的影响,具有较广的适用性。同时,提出改进型连续损伤力学的非线性疲劳损伤累积模型,此模型揭示了疲劳损伤的本质,考虑了材料的能量耗散宏观特性、平均应力、最大应力、材料的循环硬化和循环软化等因素对连续损伤的影响。此外,综合考虑疲劳损伤累积和性能退化的关系,本文在改进型损伤曲线法基础上,通过引入强度退化系数到疲劳损伤累积模型中,建立基于疲劳损伤累积模型的性能退化分析方法,并用案例分析结果验证所提模型和方法的可行性与准确性。(2)基于鞍点近似的性能退化可靠性分析。针对高可靠、长寿命产品的无失效数据或失效数据较少给传统可靠性分析带来极大困扰的难题,将鞍点近似法引入到性能退化可靠性分析中。同时,结合性能退化数据的特点,利用退化轨迹模型和随机过程模型的可靠性分析方法对所提模型进行对比验证,最后对某激光器的可靠性进行评估。(3)考虑外部冲击作用的性能退化可靠性分析。对于突发失效,运用Poisson过程描述外部载荷,并根据应力强度干涉(Stress Strength Interference,SSI)模型,采用极端值冲击模型表征外部冲击引起的突发失效;对于退化失效,通过引入外部载荷的作用系数,计算外部冲击的损伤累积作用,并在加法模型的基础上,提出考虑外部冲击作用的性能退化分析方法,此方法考虑了外部冲击和内部退化两者间的相互作用。同时,运用所提方法系统地研究失效阈值等参数对系统可靠度和失效率的影响。算例结果显示所提方法能较好地计算突发失效和退化失效共同作用下的系统可靠度。(4)加速条件下的性能退化可靠性分析。基于维纳过程和伽马过程的性能退化分析方法,结合经典的加速性能退化方程,提出基于维纳过程和伽马过程的步进应力加速性能退化模型。基于贝叶斯理论,构建融合历史退化数据、经验信息和加速性能退化试验观测数据的加速性能退化分析方法。同时,采用马尔科夫链蒙特卡洛仿真(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)方法解决步进应力加速性能退化模型无直接解析解的问题,拓展了模型的适用范围。该模型的提出,解决了加速性能退化试验中关于加速因子的确定、模型参数的增加、样本量的减少和置信度要求的提高等若干关键技术问题。
【关键词】：疲劳损伤累积 鞍点近似 突发失效 退化失效 加速性能退化 贝叶斯理论
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB114.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-27
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 可靠性学科的发展17-20
• 1.3 性能退化的国内外研究状况20-25
• 1.3.1 基于退化轨迹模型和随机过程模型的性能退化研究21-22
• 1.3.2 基于竞争失效的性能退化研究22-23
• 1.3.3 基于加速寿命试验的性能退化研究23-25
• 1.4 本文的主要研究内容25-27
• 第二章 基于非线性疲劳损伤累积模型的性能退化可靠性分析27-55
• 2.1 引言27
• 2.2 疲劳损伤累积模型及性能退化基本理论27-41
• 2.2.1 线性疲劳损伤累积模型27-30
• 2.2.2 双线性疲劳损伤累积模型30-31
• 2.2.3 非线性疲劳损伤累积模型31-39
• 2.2.4 性能退化基本理论39-41
• 2.3 改进的非线性疲劳损伤累积模型41-45
• 2.3.1 改进型损伤曲线法的非线性疲劳损伤累积模型41-43
• 2.3.2 改进型连续损伤力学的非线性疲劳损伤累积模型43-45
• 2.4 基于改进型的非线性疲劳损伤累积模型的性能退化可靠性分析45-48
• 2.5 算例分析48-54
• 2.5.1 改进的非线性疲劳损伤累积模型48-52
• 2.5.2 基于改进型的非线性疲劳损伤累积模型的性能退化可靠性分析52-54
• 2.6 本章小结54-55
• 第三章 基于鞍点近似的性能退化可靠性分析55-77
• 3.1 引言55-56
• 3.2 退化轨迹模型和随机过程模型56-65
• 3.2.1 退化轨迹模型56-59
• 3.2.2 随机过程模型59-65
• 3.3 鞍点近似及可靠性分析65-68
• 3.4 算例分析68-76
• 3.4.1 基于退化轨迹的性能退化可靠性分析68-71
• 3.4.2 基于随机过程的性能退化可靠性分析71-74
• 3.4.3 基于鞍点近似的性能退化可靠性分析74-76
• 3.5 本章小结76-77
• 第四章 考虑外部冲击的性能退化可靠性分析77-99
• 4.1 引言77-78
• 4.2 冲击模型78-83
• 4.2.1 累积冲击模型79-80
• 4.2.2 极端值冲击模型80-81
• 4.2.3 σ冲击模型81-83
• 4.3 外部冲击作用下的可靠性分析83-90
• 4.3.1 外部冲击引起的突发失效及可靠性分析83-85
• 4.3.2 考虑外部冲击的退化失效及可靠性分析85-90
• 4.4 算例分析90-98
• 4.4.1 单元件系统的性能退化可靠性分析90-95
• 4.4.2 多元件系统的性能退化可靠性分析95-98
• 4.5 本章小结98-99
• 第五章 基于贝叶斯方法的加速性能退化可靠性分析99-120
• 5.1 引言99-100
• 5.2 加速性能退化模型100-104
• 5.2.1 单应力加速性能退化模型100-102
• 5.2.2 多应力加速性能退化模型102
• 5.2.3 步进应力加速性能退化模型102-104
• 5.3 基于贝叶斯方法的加速性能退化模型参数估计104-108
• 5.3.1 贝叶斯方法简介104-105
• 5.3.2 融合历史退化数据和经验信息的先验分布105
• 5.3.3 加速性能退化数据的似然函数105-106
• 5.3.4 加速性能退化模型参数的后验分布106-108
• 5.4 基于贝叶斯方法的加速性能退化数据分析108-111
• 5.4.1 基于贝叶斯方法的加速性能退化预测方法108-109
• 5.4.2 基于贝叶斯方法的加速性能退化可靠性评估109-111
• 5.5 算例分析111-119
• 5.5.1 某型数控机床功能铣头的性能退化数据111-112
• 5.5.2 某型数控机床功能铣头的加速性能退化建模及参数估计112-116
• 5.5.3 某型数控机床功能铣头的加速性能退化预计及可靠性评估116-119
• 5.6 本章小结119-120
• 第六章 结论与展望120-123
• 6.1 全文总结120-121
• 6.2 后续工作展望121-123
• 参考文献123-136
• 致谢136-137
• 在学期间参与的科研项目137-138
• 在学期间发表和录用的学术论文138-140

  本文关键词：基于性能退化分析的可靠性方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：346882