考虑冲击载荷影响的性能退化型产品可靠性研究

在对产品性能退化和环境冲击载荷进行分析的基础上,提出了一种新的产品可靠性评估方法。首先,根据试验性能退化数据建立了基于随机系数多元分布的统计模型,实现了对产品性能连续退化过程的分析,并通过基于泊松过程的冲击载荷模型来分析产品的离散退化过程,然后通过退化量累积得到产品实际性能退化量分布函数,提高了对产品实际可靠性评估的准确性。最后,某金属材料性能退化的可靠性分析结果验证了该可靠性评估方法的有效性。     

基于互依关系的退化与随机冲击建模研究

复杂系统内部的零件老化、疲劳等自然退化以及外界环境诸如高温、高压等随机冲击均会引发系统失效,失效类型包括系统自然退化和非致命冲击带给其累积退化增量的综合影响超过特定阈值诱发的软失效,以及致命冲击造成的硬失效.现有研究大多考虑随机冲击带给自然退化过程的作用,忽略自然退化过程同样会对随机冲击产生影响.提出一种基于互依关系的退化与冲击模型,该模型的互依关系体现在两方面:非致命冲击会带给自然退化过程累积退化增量;反过来自然退化过程也会影响冲击过程,表现为随机冲击分类(非致命冲击和致命冲击)的阈值随自然退化状态而变化,且非致命冲击带给系统的累积退化增量同样受其自然退化过程的影响,分别用与自然退化状态相关的函数表示.当状态函数为线性时,推导出可靠性及失效时间分布的解析表达式.通过具体案例对比提出的模型和应用较为广泛的仅考虑冲击对自然退化影响的模型,并对模型参数进行敏感度分析,结果表明,仅考虑冲击对退化过程的影响,而忽略两者互依关系的退化与冲击模型可能高估系统可靠性,状态函数参数的变化对可靠度评估影响较大,考虑退化与冲击过程的互依关系获得的结果更加准确合理.     

基于两阶段Gamma过程的机械产品剩余寿命预测研究

在进行机械产品寿命预测时,传统的两状态可靠性评估存在较大的估计误差,针对这一问题,在计及冲击载荷条件下,提出了一种基于两阶段Gamma过程模型的三态机械产品的寿命预测方法。首先,在对产品连续退化轨迹研究的基础上,采用两阶段Gamma过程描述了产品的连续退化过程;同时,基于复合泊松过程描述了外部随机冲击造成的离散退化;然后,基于累积损伤模型,建立了冲击失效与退化失效竞争条件下机械产品的可靠性估计模型,利用该模型进行了机械产品剩余寿命预测;最后,通过对金属材料的裂纹扩展性能退化过程的仿真分析,验证了所提方法的有效性。研究结果表明:相对于传统两状态的可靠性评估模型,基于两阶段Gamma过程模型的三态寿命预测方法在机械产品的可靠性评估方面具有更高的精度。     

考虑有效冲击量级的退化-冲击竞争失效建模

在考虑有效冲击量级的前提下,提出了一种综合考虑退化过程的非线性与退化-冲击相依关系的竞争失效系统可靠性评估模型。首先,该模型采用非线性Wiener过程描述系统的性能退化过程;其次,根据冲击对系统造成的影响,将随机冲击分为无效冲击、有效冲击和致命性冲击,通过修正退化模型来描述冲击对退化的影响,即无效冲击不会对系统造成损伤,有效冲击会对退化过程造成突变退化量以及退化率增大的影响,对于致命性冲击,使用非齐次泊松过程描述其导致的突发失效过程;最后,将突发失效模型与退化过程模型结合,构建了有效冲击量级下的竞争失效系统可靠性模型。     

齿轮磨损和接触疲劳竞争失效可靠性模型

为了计算齿轮可靠度,针对磨损失效和疲劳失效2种常见的失效方式,分别建立了失效概率模型,在此基础上计算出可靠度,并考虑了服从泊松过程的冲击对磨损和接触应力的作用。磨损采用累积磨损的形式,建立了磨损-磨损阈值干涉模型。接触疲劳失效考虑随机强度退化,建立了动态强度-应力干涉模型。以某矿用挖掘机提升减速器中的齿轮为研究对象进行可靠性分析,对模型和方法进行验证,得到了考虑冲击作用的2种失效模式竞争的齿轮可靠度计算结果,分析了不同冲击参数下可靠度值。结果表明,模型对于估计寿命、材料选取等工程问题有一定的参考价值。     

竞争失效条件下针对磨损退化数据的刀具可靠性分析

研究了车刀在竞争失效模式下的可靠度。引入威布尔分布描述突发失效的可靠度模型，采用Gamma过程来描述刀具性能退化过程。从退化量的角度对刀具突发失效进行评估，考虑性能退化量条件下突发失效的概率来建立竞争失效的可靠度模型，对该模型中的参数采用最小二乘法进行估计计算。以VBMT090208型外圆车刀在使用过程中的磨损退化量作为数据基础，分别建立了突发失效与退化失效两者在竞争模式下的可靠度模型。结果表明，如果忽略突发失效，仅进行刀具的退化失效建模，或者在独立条件下构建突发失效及退化失效的竞争失效可靠度模型，刀具的可靠度将会被高估。     

基于可恢复冲击效应的继电器可靠性评估方法

继电器是航天器等系统的关键元件之一,精准评估其可靠性对保证全系统的安全稳定至关重要。 现有继电器可靠性研 究未考虑在材料和环境等因素的影响下,性能状态冲击性变化存在可恢复性的特点,可能会造成评估结果不准确。 为解决此问 题,综合考虑各性能参数的自然退化过程、可恢复冲击效应、退化相关性,基于维纳过程和离散时间马尔可夫链的建模理论,提 出了适用于继电器的退化和冲击模型。 进而,针对同时估计模型全部参数存在困难的问题,提出了一种多阶段的模型参数估计 方法。 并且,针对可靠性评估,提出了一种基于蒙特卡洛技术的可靠度近似计算方法。 结果表明,所提出的可靠性评估方法精 度较高,其拟合优度为 0. 103 7,比现有方法提高了约 70% 。     

基于多元退化数据的RV减速器可靠性评估

针对RV减速器的可靠性评估需求，结合减速器传动误差及回差的性能退化试验数据，分别建立了可用于描述减速器性能退化过程的Gamma过程传动误差及回差退化模型，利用最大似然估计法对退化模型参数进行估计。以上述两种模型作为一元边缘分布函数，通过Copula函数建立了RV减速器二元退化模型，并对该减速器的可靠性及预期失效寿命进行了评估。结果表明，基于传动误差和回差退化模型的可靠度评估结果与试验结果基本一致，模型能够较为准确地描述RV减速器的性能退化过程。Gaussian Copula函数较适合描述RV减速器二元退化指标间的相关性；采用该函数可得出该工况条件下RV减速器在任意可靠度时的预估失效寿命。     

随机载荷作用下的零件动态可靠性模型

运用顺序统计量和概率微分方程建立随机载荷作用下的零件动态可靠性模型,并研究零件可靠度和失效率随时间的变化规律。首先,分析随机载荷多次作用时零件的失效过程,从载荷作用的统计学意义出发,运用顺序统计量建立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,根据应力—强度干涉理论建立载荷多次作用下的零件可靠性模型。运用泊松随机过程描述载荷的作用过程,分别建立强度不退化和强度退化时的零件动态可靠性模型。研究表明,强度不退化或退化不明显时,零件的可靠度随时间逐渐降低,失效率随时间逐渐减小;考虑强度退化或强度退化明显时,零件的可靠度随时间逐渐降低且较为明显,失效率具有“浴盆”曲线的全部特征。     

共因失效系统动态可靠性模型

考虑共因失效相关性,在系统层运用应力-强度干涉模型建立了共因失效系统可靠性模型。在研究系统可靠性模型的基础上,建立了系统强度的累积分布函数和概率密度函数。采用泊松随机过程来描述载荷的作用过程,运用概率微分方程和全概率公式建立了强度随时间退化时的串联系统、并联系统以及k/n系统动态可靠性模型。以强度退化服从指数退化规律为例,研究了串联系统、并联系统以及k/n系统的可靠度和失效率随时间的变化规律。研究表明:系统的可靠度随时间逐渐降低,k/n系统的可靠度介于串联系统和并联系统之间;系统的失效率具有“浴盆”曲线的特征。     

A fatigue and low-energy shock-based approach to predict fatigue life

A product that is characterized by fatigue-induced failure always suffers from complex fatigue loads, and the damage caused by fatigue loads accumulates with time. The existence of shocks not only directly increases the risk of failure but also affects the magnitude of damage caused by fatigue loads. This study analyzes the reliability of a product when fatigue loads and shocks are both involved. The features of fatigue damage and shock damage are investigated, and the coupling relationship between them is discussed. With assumptions of high cycle fatigue and low-energy shocks, the effect of shocks on fatigue damage is expressed as the degradation of the ultimate strength of the product. An overall reliability model with fatigue and shock failures is developed. Two conditions are considered for the reliability model: shocks with fixed period and shocks with a homogeneous Poisson process. Three important cumulative damage theories are adopted. An engineering case of actuator cylinder is provided to demonstrate the proposed approach.     

基于柔性止动的MEMS惯性开关冲击可靠性强化

为了提高MEMS惯性开关的冲击可靠性,提出了一种柔性止动结构。首先,利用连续接触力理论建立了止动碰撞模型,通过Simulink对模型进行仿真,研究开关在不同止动形式下的响应特性。接着,从空间占用和应力集中的角度对悬臂梁和平面微弹簧两种止动形式进行讨论,设计止动结构。最后,利用UV-LIGA工艺制作开关样机,通过落锤冲击系统对样机进行测试。碰撞接触力对于冲击可靠性至关重要,Simulink仿真结果表明柔性止动结构能够极大的延长碰撞接触时间,从而降低接触力。同时,采用柔性止动还改善了碰撞后的弹跳现象,提高闭锁稳定性。冲击试验表明,开关累积失效分布函数符合韦布尔分布,标度参数(参考加速度)α=29 600、形状参数β=8.2。相比无柔性止动的MEMS开关,提出的柔性止动明显改善了开关的抗冲击性能。对柔性止动的建模、仿真与试验为MEMS惯性开关的抗冲击设计提供了有益参考。     

加速退化下光伏组件伪失效寿命分布估算

开展了加速退化条件下光伏组件产品可靠度评估的研究,提出了新型的基于GLD的光伏组件的伪失效寿命分布估算方法。首先,利用可决系数检验法(R2)优选最佳加速退化轨迹,得到样本组伪失效寿命值。然后,应用Bootstrap法产生自助样本扩充样本群,构建基于GLD的伪失效寿命分布模型,该模型无需预设先验分布,即可真实反映不同加速条件下光伏组件伪失效寿命分布形态。最后,以18 W小功率Mono-Si单晶硅光伏组件加速性能退化数据为例,估算了光伏组件在加速退化条件下的伪失效寿命分布和可靠度。结果表明:在加速退化条件下,本文方法得到的可靠度曲线与试验数据拟合结果很好,绝对误差基本在±300h内,相对误差不超过±15%,满足工程预测精度需求。     

考虑载荷作用次数的零部件可靠性模型

研究随机载荷多次作用时零件的失效过程,建立载荷多次作用下的零件可靠性模型.从载荷作用的统计学意义出发,根据顺序统计量的性质,建立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.运用应力-强度干涉模型建立零件在单一失效模式下载荷多次作用时的可靠性模型.最后,运用Monte Carlo方法对可靠性模型进行仿真实验,证明模型的正确性.     

Reliability analysis of degradation with a new independent increment process

Degradation test is an important method to assess the reliability of complex systems and highly reliable products. The effectiveness of a degradation model depends strongly on the suitability of the model to describe the process. This paper proposes a new degradation model in which the characteristics of the widely used stochastic process and degradation path models are considered simultaneously. According to the proposed model, closed-form expressions of the performance distribution, failure time distribution and their percentiles, as well as reliability, can be obtained easily. A one-stage procedure is then developed to estimate the model parameters, based on which, estimations of the performance distribution, failure time distribution, and reliability are also presented in the paper. Finally, simulation studies are conducted to validate the proposed method. Results suggest that the method provides precise estimates even for zero-failure cases or an extremely small sample size of approximately five.