基于退化模型的机械产品可靠性评估方法研究

发布时间：2017-01-31 19:24

第一章绪 论

在产品设计研发、生产、贮存、使用和维修等全寿命周期的不同阶段，通过可靠性评估准确掌握产品的可靠性这一内在属性，具有重要的意义。其主要目的是分析产的可靠性是否满足全寿命周期各阶段的可靠性目标；检验产品的设计是否合理、工艺是否正确、使用是否得当；为产品设计的改进，生产工艺的优化，贮存、使用和维修保障策略的合理制定，以及产品可靠性的增长提供技术和信息支撑。可靠性评估是可靠性工程的核心研究内容之一。传统的可靠性评估方法是基于寿命数据的，即失效时间的，通常通过寿命试验获取充足的寿命数据，或通过大量收集的产品在实际使用过程中或者模拟使用环境中的失效数据，然后采用经典统计方法来实现可靠性评估。但是，随着产品可靠性水平的提高，大量高可靠长寿命机械产品被广泛使用，比如电液伺服阀、陀螺仪、太阳翼展开机构和姿控飞轮等。对于此类高可靠长寿命产品，在有限的研制时间和成本内，很难通过寿命试验或者加速寿命试验获取足够的寿命数据以支持足够精度的可靠性评估工作。然而，此类产品往往在系统中扮演着极为重要的角色，也是我们开展可靠性评估研究的重点对象，这就在客观上要求可靠性评估方法不断发展改进以解决长寿命、高可靠、小样本产品可靠性评估困难的问题。
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第二章 融合寿命数据与退化数据的可靠性评估

2.1 引言

退化轨迹模型是最先被提出的退化可靠性模型，能够解决寿命数据的有无问题，但是不能解决样本数量的多少问题。受试验成本、试验周期的限制，可靠性评估工作经常遇到小样本的问题。尤其是对于一些小批量生产的长寿命、高可靠机械产品，受样本量和试验平台的限制，可靠性试验数据缺乏。如何在小样本条件下实现较高精度的可靠性评估，一种重要的思路就是以已有的小样本试验数据为基础，融合其他可靠性信息，即充分利用和产品相关的多源可靠性信息。在这样的背景下，融合多源可靠性信息的可靠性评估方法研究，已成为可靠性工程领域的一个热点问题。除专家基于工程经验给出的主观信息以外，最常见的可靠性信息也是最有价值的信息是产品、相似产品以及历史型号产品在使用过程中留下的现场数据，这类数据通常是以寿命数据的形式存在的。本章在介绍如何利用退化轨迹获取伪寿命数据后，提出基于贝叶斯方法的寿命数据和其他一些可靠性信息，以解决机械产品可靠性评估中的小样本问题。

2.2 退化轨迹模型

退化轨迹模型是提出最早、应用最广泛的退化可靠性模型。如图 2-1 所示，与产品性能相关的某个特征量随着产品服役时间而逐渐增加，这个特征量就被称为退化量。当退化量达到失效阈值时，就认为产品发生了软失效，这个失效阈值通常由实际工况或者相关标准决定。对退化量进行测定，就可以得到退化数据，对同一个样本的退化数据可以用以时间为自变量的某种曲线进行拟合，从而得到如图 2-1 中所示的退化轨迹。根据退化量随时间增大的速度，可以分为线性退化轨迹（轨迹 1）、凹形退化轨迹（轨迹 2）和凸形退化轨迹（轨迹 3）。线性退化轨迹对应的曲线函数是线性函数，二阶导数为零，表明其退化速度恒定；凹形退化轨迹对应的曲线函数的二阶导数为正数，表明其退化率随着时间增加而增大；凸形退化轨迹对应的曲线函数的二阶导数为负数，表明其退化率随着时间增加而变小。

第三章 考虑产品个体差异的可靠性评估 .............32

3.1 引言 ....................32

3.2 随机过程模型 ..............32

3.3 考虑产品个体差异的 Gamma 过程模型..........38

3.4 考虑产品个体差异的逆高斯过程模型 ............40

3.5 实例 1：考虑个体差异的滑阀密封可靠性评估 ..................43

3.6 实例 2：考虑个体差异的砷化镓激光器可靠性评估 ............50

3.7 本章小结 ............52
第四章 基于退化量分布的疲劳可靠性评估 ............53
4.1 引言 ....................53
4.2 基于退化量分布的可靠性评估 ..............54

4.3 基于退化量分布的疲劳可靠性评估 ...........56

4.4 算例分析 ...........62

4.5 本章小结 ...........66

第五章 基于多元性能退化的机械产品可靠性评估 .....67
5.1 引言 .................67
5.2 基于一般多元性能退化模型的可靠性评估 ...........68

5.3 基于逆高斯过程多元退化可靠性评估 .............71

5.4 非竞争关系条件下的多元退化可靠性评估 .....78

第六章 基于贝叶斯理论的退化试验优化设计方法

6.1 引言

可靠性试验是可靠性评估工作最重要的信息来源。如何在一定试验成本条件下，更合理的开展可靠性试验，完成更高精度的完成可靠性评估，极具研究价值。在基于寿命数据的传统可靠性评估领域，寿命试验及加速寿命试验的优化设计也一直是研究的热点之一[24]。随着大量高可靠、长寿命的产品出现，通过传统的寿命试验甚至加速试验，在可接受的试验成本及试验时间内，已经无法获取足够的寿命数据进行可靠性评估。退化试验也随着退化模型的发展，逐渐成为一类重要的可靠性试验，但是退化试验相对传统的寿命试验，其方案设计变量更多、优化问题也更为复杂。

6.2 退化试验方案的优化设计模型

根据试验的类型和目的不同，其试验方案进行优化设计的内容和目标也不相同。对于退化试验而言，试验样本数量、退化数据检测频率、试验时间和试验评估结果的精度是试验方案中最主要的要素。对于加速退化试验，试验者还需要考虑应力大小、应力水平数、各应力水平下的样本分配等问题。对于机械产品而言，应力环境较为复杂，加速应力及加速方程难以确定，，因此本章不考虑加速条件下的退化模型及退化试验。对于以进行可靠性评估为目的的退化试验，可靠性评估的精度通常是试验者最关心的问题，本文也将其作为实验方案设计的优化目标。当然，试验其它要素所决定的经济、时间等成本因素也是试验者需要考虑的问题，这些客观存在的条件限制，在本实验方案设计中被视为作为约束条件。
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第七章 全文总结与展望

本文分析了机械产品可靠性评估领域存在的问题和面临的挑战，针对机械产品以退化型失效为主的特点，结合相关科研项目，本文的第二、三、四、五章通过将基于退化轨迹、退化量分布和随机过程的三类最常见的退化可靠性模型针对机械产品的特点进行改进和发展，第六章在逆高斯过程模型的基础上，提出一种基于贝叶斯理论的试验方案设计优化方法，尝试解决机械产品可靠性评估存在的寿命数据获取、通用可靠性数据缺乏、样本数量少、不确定性和个体差异性显著、多元失效广泛存在和可靠性试验开展困难等问题。主要研究内容和成果概括如下：（1）融合寿命数据和退化数据的可靠性评估研究。在分析说明机械产品评估中较难通过物理失效机理确定退化量与时间的函数关系的基础上，归纳介绍了采用基于曲线拟合的退化轨迹模型进行可靠性评估的流程。分析了多源可靠性信息对于可靠性评估的重要意义，提出了基于贝叶斯方法、融合退化数据和其他多源信息的可靠性评估框架。在失效机理分析的基础上开展退化试验，建立了功能铣头的退化轨迹模型，积累先验信息并外推得到样本的伪寿命数据，应用贝叶斯方融合了伪寿命数据、寿命数据和其他可靠性信息，实现了功能铣头的可靠性评估工作，验证了基于退化轨迹、同时利用贝叶斯方法融合多源可靠性信息开展可靠性评估方法的有效性。

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参考文献（略）

本文编号：239599