系统可靠性灵敏度分析方法及其应用研究

基于已有的单个失效模式可靠性灵敏度分析,建立多模式串、并联系统失效概率对基本变量分布参数的灵敏度分析方法,着重研究多模式并联系统可靠性灵敏度分析的近似方法.该方法以数字模拟为基础,根据样本点对系统失效概率的贡献,对计算失效概率的所有样本点进行筛选,并由筛选出的样本点线性回归模拟并联系统失效域,得到等价的单个线性极限状态方程,从而将多模式并联系统的可靠性灵敏度分析等价转换为单个模式的灵敏度分析.对于多模式串联系统的可靠性灵敏度分析,文中采用的方法是将串联系统的失效概率精确转换成单个模式失效概率与多个模式并联系统失效概率的代数和,然后逐项进行灵敏度分析,进而得到串联系统的可靠性灵敏度.对于结构系统的极限状态方程含有复杂综合随机变量的灵敏度分析问题,提出一种基于二次回归分析的近似处理方法,通过推导的综合随机变量分布参数对基本变量分布参数的偏导数公式和复合函数求导法则,最终得到复杂多模式系统失效概率对基本变量分布参数的灵敏度.文中用理论数值算例验证所提算法的精度与可行性,并将所提方法推广应用到工程算例中,验证其工程应用价值.     

多失效模式履带车辆传动齿轮可靠性灵敏度分析

为了解决不同失效模式存在时履带车辆传动齿轮的可靠性灵敏度分析问题,运用随机摄动理论、四阶矩技术与Edgeworth级数,推算出不同失效模式的统计相关特性及可靠性指标,并求解出随机变量参数服从任意分布的部件各失效模式可靠度。利用机械部件失效模式少且一种失效即整体失效的特点,将失效模式串联模型视为部件的失效。在此基础上,结合梯度算法得到随机参数均值与方差的灵敏度计算公式。通过实例的计算验证表明,此方法可有效地估算多失效模式下机械零部件的灵敏度数值,为机械部件的优化设计提供参考。     

非正态分布参数的多失效模式机械系统可靠性鲁棒设计

在机械系统可靠性设计理论、可靠性灵敏度分析和鲁棒设计方法的基础上,讨论了非正态分布参数的多失效模式机械系统可靠性鲁棒设计问题,提出了非正态分布参数的多失效模式机械系统可靠性鲁棒设计的计算方法．把可靠性灵敏度融入可靠性优化设计模型之中,将机械系统可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题．在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下,可以迅速准确地得到机械系统可靠性鲁棒设计信息．     

面向重组维修的机械系统可靠性建模与仿真

机械设备发生故障时需要及时对失效的零件进行更换,重组维修过程实际上破坏了原有的系统可靠性模型,因此需要对系统可靠性模型进行重构.基于机械系统中零件的失效时间分布密度函数,研究重组维护中机械系统在服役期间零件年龄分布规律,重构了机械系统可靠性数学模型.以零件失效时间是韦布分布函数为例,通过数值仿真分析零件失效时间分布密度函数的参数对系统可靠度的影响,对指导以可靠性为核心的机械系统维护具有重要意义.     

考虑多模相关的机械系统可靠度优化模型

相关性是复杂机械系统的固有特性,也是影响和制约机械可靠性研究工作的重大难题。以往的可靠性研究多数以独立性假设为前提,文中从结构系统二阶窄界限理论出发,研究和分析在考虑多模式失效相关时的机械系统可靠性,详细探讨如何进行可靠度上下界限值的优化,并将优化后的模型用于分析实际机械系统的可靠度,结果证明优化后的二阶界限模型在机械系统可靠性分析、预测和研究中有很强的针对性和有效性。     

失效相关下齿轮传动系统的可靠性稳健优化设计

本文研究了不完全概率信息下齿轮传动系统多失效模式相关时的系统可靠性评估与优化设计问题。首先,建立了齿轮传动系统不同失效模式的可靠性模型;其次,采用基于三阶矩的鞍点逼近方法,实现了各失效模式的边缘失效概率估计,并建立了基于鞍点逼近的可靠性灵敏度模型;然后,考虑相关性对系统失效概率估计的影响,提出了基于Copula函数的系统可靠性评估方法;最后,讨论了齿轮传动系统的可靠性优化设计问题。经过数值算例验证可知,采用不同copula函数计算得到的失效概率有很大差异,其中Gaussian和Clayton Copula得到的结果与蒙特卡罗模拟结果基本一致。采用Clayton Copula进行了可靠性优化设计,所得结果可为齿轮传动系统的优化设计提供参考。     

基于贝叶斯网络的多状态共因失效系统可靠性分析

为提高多状态共因失效系统可靠性分析的准确性,降低计算的复杂性,将贝叶斯网络和β-因子模型引入到系统的可靠性分析中,提出一种基于贝叶斯网络的多状态共因失效系统可靠性分析方法。利用贝叶斯网络不确定性推理和图形化表达的特点,建立考虑共因失效的多状态系统可靠性分析模型,通过β-因子模型对共因失效进行定量分析,充分考虑共因失效与系统部件间的逻辑关系,引入共因失效率构建考虑共因失效的可靠性评估模型。以柴油机冷却系统的共因失效分析为例进行验证,结果表明提出的方法可以对系统的共因失效问题进行清楚地表达,不需要计算最小割集,适用于复杂机械系统共因失效的研究。     

多失效模式机械系统可靠性灵敏度设计

在机械系统可靠性设计理论与灵敏度分析方法的基础上,研究不完全概率信息条件下多失效模式的机械系统可靠性灵敏度分析问题,提出机械系统可靠性灵敏度分析的计算方法,给出可靠性灵敏度的变化规律,研究设计参数的改变对机械系统可靠性的影响,为机械系统可靠性设计提供理论依据.     

机械系统可靠度计算方法—阶段连续界限理论

针对机械系统难以建立定量的可靠性计算模型，从实用角度出发，对计入相关的机械系统可靠性理论进行研究，提出了机械系统可靠度计算的五个实用模型并建立了相关程度的定性判定准则，这对于机械系统可靠性设计具有理论意义，对实际机械系统可靠度的计算具有实际指导意义。     

直齿轮传动系统特征分析与静强度可靠性模型

齿轮传动系统是一个串联系统,但在系统与零件之间的关系、系统实现功能的方式、以及系统的时间属性等方面与传统意义上的串联系统有明显不同。从可靠性分析的角度,详细分析了齿轮传动系统在系统构型、载荷传递及失效等方面的特点。鉴于可靠性分析的需要,细化了机械系统分类,把串联系统划分为简单(空间或空域)串联系统(常构串联系统)和时域串联系统(变构串联系统)。根据在功能、结构、载荷等方面不同的系统,有针对性地研究可靠性分析与可靠性建模方法。以单级齿轮传动系统为例,建立了不同系统结构参数、不同服役条件下的系统可靠性模型,展示了系统可靠性变化规律,以及所建模型与传统串联系统模型之间的差异。     

多失效模式机械零件可靠性灵敏度估计

机械零件的失效往往存在多种失效模式,且这些失效模式对可靠性灵敏度均有影响,因此在进行可靠性灵敏度估计时,要充分考虑零件的各个潜在失效模式。提出一种多失效模式机械零件可靠性灵敏度分析的数值方法。运用随机摄动技术和四阶矩技术,求得各失效模式功能函数的前四阶矩及可靠性指标,解决了随机变量分布类型未知时,各失效模式的可靠度计算问题。根据机械零件失效模式较少的特点,将零件的潜在失效模式视为串联关系,则零件整体的失效即为失效模式的串联失效。结合灵敏度分析的梯度算法,推导出关于随机变量均值和方差的可靠性灵敏度的计算公式。数值算例表明所述方法可快速有效地估计多失效模式机械零件的可靠性灵敏度,且适用于非线性功能函数的情况。     

直齿轮耦合转子系统的振动可靠性研究

为了探索随机变量对直齿轮耦合转子系统的振动可靠性的影响排序,为产品在设计阶段提供理论参考,首先,基于有限元法,建立了参数化的直齿轮耦合转子动力学模型；其次,结合随机摄动技术、可靠性设计相关理论,建立了随机响应模型和可靠性求解模型；然后,基于修正后的可靠性灵敏度计算方法,提出了针对齿轮耦合转子系统的可靠性灵敏度设计模型,研究了齿轮参数的改变对转子系统可靠性的影响；最后,在基本随机变量是混合变量的情况下,对其灵敏度进行了无量纲化,得到可靠性对各个基本随机变量的影响程度的排序.研究结果表明,对可靠性影响最大的因素为啮合角,需要严格控制.     

Vine Copula模型的失效动态相关机械系统可靠性分析

提出机械系统的失效动态相关可靠性可采用动态Vine Copula模型进行描述。采用Vine Copula函数将复杂多失效相关的机械系统可靠性问题转换为对多个二维动态Copula函数进行分析。利用非参数估计算法,提出经验分布函数-局部极大似然两步法估计动态Copula函数中的时变参数,从而建立动态Vine Copula模型来描述多失效动态相关机械系统的可靠性;并重点对机械系统的串联体系可靠性进行建模与分析,进而对机械系统的可靠度进行求解。最后通过单级减速器系统的算例验证了所述方法的合理性及有效性。     

基于Copula失效相关结构系统的失效概率计算

针对具有相关失效模式的结构系统可靠性分析问题,提出利用Copula计算结构系统的失效概率。Copula函数可以采用多种边缘分布函数来推求联合分布函数,构造随机变量间的相关结构。该方法分别以各失效模式的功能函数值为Copula分析变量,利用MATLAB软件和Monte Carlo模拟法产生的随机抽样数据估计Copula参数,实现各功能函数间的联合概率分布函数的Copula建模,从而可以利用Copula计算结构系统的失效概率。最后用工程算例验证该理论方法的可行性,为具有相关失效模式的结构系统可靠性分析提供新途径。     

高维Copula函数的动态系统可靠性模型研究

针对多失效相关的动态机械系统,利用Copula函数描述各单元之间失效模式的相关性,提出了一种具有多失效相关的动态机械系统可靠性模型,采用R-Vine Copula函数将复杂系统的可靠性问题转化为多个二维Pair Copula函数进行分析,利用最大生成树算法(MST)选定最优R-Vine结构,通过非参数核密度估计(KDE)对模型中的时变参数进行描述,并重点对机械系统中常见的串-并联系统(混联系统)进行建模分析,最后通过航天器开闭轴系的算例,验证该模型的有效性。     

刚柔混合非线性转子系统的动态应力可靠性及可靠性灵敏度研究

以工程实际中具有复杂结构的非线性转子系统为研究对象,以有限元分析软件和多体动力学仿真软件为平台,建立参数化刚柔混合非线性转子动力学模型,对转子系统进行动力学仿真,并结合神经网络技术,随机摄动技术,可靠性设计和可靠性灵敏度设计相关理论,建立动态应力可靠性模型,提出对具有复杂结构的非线性转子系统的可靠性灵敏度设计的新方法,研究设计参数的改变对转子系统可靠性的影响,得到可靠性对基本随机变量均值和方差的灵敏度,在基本随机变量是混合变量的情况下对其灵敏度进行量纲一化,将各个基本随机变量对可靠性的影响程度进行排序,为产品在设计阶段提供理论参考,有着积极的现实意义和理论价值。     

基于动力学的兆瓦级风电齿轮增速箱可靠性灵敏度分析

通过失效模式及影响分析确定了风力发电机齿轮传动系统的主要失效零件,建立了基于动力学的齿轮和滚动轴承可靠性评估模型,同时给出了风力发电机齿轮传动系统可靠性评估模型。采用四阶矩法对行星齿轮接触和弯曲疲劳可靠性灵敏度进行了分析,得到齿轮接触疲劳可靠性灵敏度和弯曲疲劳可靠性灵敏度,结合实例进行了计算,分析了行星齿轮参数对可靠性的影响。     

考虑强度退化与失效相关性的RV减速器动态可靠性分析

强度退化和失效相关性对机械系统的可靠度有显著影响,目前尚无同时考虑上述因素的RV减速器动态可靠性分析方法。根据RV减速器的结构特点,建立了基于强度退化理论的RV减速器零件动态可靠度分析模型,分析了强度退化对RV减速器零件可靠度的影响规律;通过推导出的耦合两级传动子部件可靠度的Copula函数描述零部件间的失效相关性,建立了RV减速器系统动态可靠性分析模型,研究了失效相关性对系统可靠性的影响规律;对影响RV减速器可靠性的主要设计参数进行了灵敏度分析,获得了各参数的灵敏度排序,为RV减速器的可靠性优化设计奠定了基础。     

失效相关系统动态可靠性建模与失效率研究

建立了随机载荷作用下的失效相关串联系统、并联系统和k／n系统动态可靠性模型,并研究了系统可靠度和失效率随时间的变化规律。在系统层运用载荷一强度干涉模型建立了失效相关系统可靠性模型;在分析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。运用顺序统计量理论建立了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,进而建立了强度不退化时载荷多次作用下的系统可靠性模型以及系统动态可靠性模型。运用概率微分方程建立了强度退化时的系统动态可靠性模型。研究了串联系统、并联系统和k／n系统可靠度和失效率随时间变化的规律。研究表明：系统与零件具有相似的特征;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;强度不退化时,系统的失效率随时间逐渐减小;强度退化时,系统的失效率具有“浴盆”曲线的全部特征。     

考虑不同失效相关性的系统可靠性分配方法

为考虑系统组成单元间不同失效相关性对系统可靠性分配结果的影响,将影响系统可靠性分配的因素分为直接和间接两类,提出将复杂度和失效危害度作为直接影响因素,用于确定组成单元可靠性分配权重的相对大小。将工作环境、技术水平、改进成本等归为间接影响因素,引入相对分散性描述系统组成单元失效相关性,提出基于相对分散性的复杂度和危害度计算方法。基于Vine Copula函数建立考虑组成单元间不同失效相关性的串联系统可靠性分配模型,最后以某型数控机床主轴系统为例,进行不考虑相关性和考虑相关性两种情况下的系统可靠性分配结果对比分析,结果表明不考虑失效相关性得到的分配结果过于保守,增加产品研制费用。使用Vine Copula函数建立的系统可靠性分配模型能够考虑组成单元间不同的失效相关性,分配结果与传统多元Copula函数的分配结果相比更为合理。