本發(fā)明涉及柴油機可靠性領域，尤其涉及一種可以提高柴油機可靠性計算置信度的機理和數(shù)據(jù)融合的柴油機整機可靠性預測方法。

背景技術：

1、傳統(tǒng)的柴油機可靠性預測方法為基于數(shù)理統(tǒng)計的方法或基于故障物理的方法?；跀?shù)理統(tǒng)計的方法，需要大量的試驗以及運行數(shù)據(jù)，對于樣本數(shù)較少的大功率船用發(fā)動機難以實現(xiàn)?；诠收衔锢淼姆椒?，采用數(shù)學模型建立因果關系，反映客觀物理規(guī)律，但是一些故障影響因素眾多，難以建立準確的機理模型，該方法的應用也具有局限性。只有將可靠性統(tǒng)計理論與失效物理模型研究結合起來，才能更好地認識不確定世界的復雜性與規(guī)律性。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明公開一種機理和數(shù)據(jù)融合的柴油機整機可靠性預測方法，本發(fā)明將機理模型和統(tǒng)計數(shù)據(jù)互相融合來預測柴油機整機可靠性，顯著提高了柴油機可靠性計算的置信度；而且此方法不僅能夠得到柴油機機理模型的零部件和整機可靠度，還可以得到與統(tǒng)計數(shù)據(jù)融合的柴油機整機可靠度。

2、本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟：

3、步驟一、基本建模參數(shù)輸入，包括材料屬性參數(shù)及發(fā)動機結構及性能參數(shù)；

4、步驟二、發(fā)動機性能模型構建，為求解各子系統(tǒng)內狀態(tài)參數(shù)隨曲軸轉角的變化，聯(lián)立能量守恒方程、質量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程構成的微分方程組采用預報校正法進行求解；

5、步驟三、動力學模型構建，以發(fā)動機性能模型得到的缸壓、溫度等參數(shù)作為邊界條件，各部件的載荷基于曲柄連桿機構運動學和動力學計算；

6、步驟四、關鍵部件多樣本的磨損和疲勞計算，多樣本基于蒙特卡洛算法生成，摩擦副的磨損量基于archard模型計算，部件的疲勞根據(jù)材料的s-n曲線基于疲勞累計損傷理論計算；

7、步驟五、機理模型的可靠度分析，對獲得的部件多樣本的磨損和疲勞進行統(tǒng)計分析，得到各部件的可靠度；進一步地，得到整機機理模型的可靠度；

8、步驟六、融合統(tǒng)計模型后的整機可靠度分析，計算統(tǒng)計的部件失效率數(shù)據(jù)的可靠度，與機理模型計算得到的可靠度進行融合，得到融合后的整機可靠度。

9、進一步地，在本發(fā)明步驟一中，所述材料屬性參數(shù)包括：關鍵零部件材料的泊松比；材料的彈性模量；材料的硬度；曲軸材料的s-n曲線；連桿材料的s-n曲線；曲軸材料的抗拉強度；連桿材料的抗拉強度；發(fā)動機結構及性能參數(shù)包括放熱率、氣門正時、沖程、缸徑、壓縮比、氣缸數(shù)、容積數(shù)、閥門數(shù)、發(fā)火順序、轉速、功率、各容積大小、連桿比、活塞質量、連桿質量、曲柄不平衡質量、連桿長度、連桿質心到連桿大端中心的距離、曲柄旋轉角速度、曲柄半徑、活塞直徑、主軸頸中截面到最近一側曲柄臂中截面的距離、曲柄臂寬度、曲柄臂厚度、曲柄銷截面直徑、主軸頸截面直徑、桿身截面積、關鍵摩擦副接觸長度、關鍵摩擦副零部件磨損系數(shù)、關鍵摩擦副裝配間隙、關鍵摩擦副的更換極限間隙。

10、更進一步地，在本發(fā)明步驟二中，所述能量守恒方程為：

11、

12、式中：表示曲軸轉角，單位為deg；mz表示工質的質量，單位為kg；uz為缸內工質的比內能，單位為j/kg；min為進氣質量，單位為kg；hi為進氣的比焓，單位為j/kg；qf為噴入氣缸的燃油帶來的熱量，單位為j；qw為傳熱散失的能量，單位為j；mo為排氣質量，單位為kg；ho為排氣的比焓，單位為j/kg；pz為子系統(tǒng)內壓力，單位為pa；vz為子系統(tǒng)內容積，單位為m3；

13、所述質量守恒方程為：

14、

15、式中：表示曲軸轉角，單位為deg；mz表示工質的質量，單位為kg；min為進氣質量，單位為kg；mo為排氣質量，單位為kg；gf為燃油質量，單位為kg；x為氣缸內燃料燃燒百分數(shù)；

16、所述理想氣體狀態(tài)方程表示為：

17、pzvz＝mzrztz

18、式中：pz為子系統(tǒng)內壓力，單位為pa；vz為子系統(tǒng)內容積，單位為m3；mz表示工質的質量，單位為kg；tz為缸內溫度，單位為k；rz為工質的氣體常數(shù)，單位為j/(kg·k)。

19、更進一步地，在本發(fā)明步驟三中，所述各部件的載荷可表示為：

20、

21、

22、

23、式中：f∑為沿氣缸中心線連桿小端上的作用力，可以分解為活塞側向力fng及連桿推力fc，單位均為n；連桿推力fc可以進一步分解為沿曲柄方向的法向力fr和垂直于曲柄方向的切向力ft，單位均為n；fp為曲柄銷處的作用力，單位為n；fk為主軸頸處作用力，單位為n；mp，mc和mk分別表示為活塞質量、連桿質量和曲柄不平衡質量，單位均為kg；連桿質量常等效為兩部分，分別為往復運動部分mca及回轉運動部分mcb，單位均為kg；fg表示為活塞在氣缸內做往復運動受到周期性變化的氣體壓力，單位為n；lcb為連桿質心到連桿大端中心的距離，單位為m；l為連桿大小端中心的距離，單位為m；ω為角速度，單位為rad/s；r為曲柄半徑，單位為m；β為連桿擺角，為曲柄轉角，單位均為deg；λ為曲柄半徑與連桿長度比；dp為活塞直徑，單位為m；mr表示集中曲柄銷處并隨曲柄作回轉運動的總質量，單位為kg，可被表示為：

24、mr＝mk+mcb

25、式中：mk和mcb分別為曲柄不平衡質量和連桿回轉運動部分質量，單位均為kg。

26、更進一步地，在本發(fā)明步驟四中，所述采用蒙特卡洛算法生成樣本，是通過考慮計算柴油機損傷受到的材料性能、制造裝配、外部載荷等不確定性因素的影響，確定這些不確定性參數(shù)的分布函數(shù)，生成一系列隨機數(shù)，對這些隨機數(shù)進行變換得到對應概率分布函數(shù)的樣本，代入到對應的不確定性參數(shù)，對每個不確定性參數(shù)生成相應分布函數(shù)的大量隨機樣本。

27、更進一步地，在本發(fā)明步驟四中，所述archard磨損模型中關鍵摩擦副零部件磨損深度可表示為：

28、

29、式中：h為磨損深度，單位為m；l為摩擦副滑移距離，單位為m；k為無量綱的磨損系數(shù)；h為材料布氏硬度，單位為hbw；p為接觸應力，單位為pa，可被表示為：

30、

31、式中：f為法向接觸壓力，單位為n；s為接觸面積，單位為m2。

32、磨損損傷表示為：

33、

34、式中：dw表示磨損損傷，單位為1；t表示時間，單位為h；h和hc分別為磨損深度和臨界磨損深度，單位均為mm。

35、當磨損損傷達到1時，部件失效。

36、其中，特別針對缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損導致氣缸密封性下降從而造成的氣缸內介質泄漏，反饋到對性能模型的計算分析上。

37、所述疲勞損傷，其對稱循環(huán)應力幅下的循環(huán)次數(shù)表示為：

38、lgn＝a+blgσ-1

39、式中：n為該應力幅對應的失效循環(huán)次數(shù)，單位為1；σ-1表示材料在應力比為-1的對稱加載下的應力幅，單位為mpa；a和b為材料常數(shù)，根據(jù)材料的s-n曲線獲得。由于部件受到的力為非對稱加載力，因此用s-n曲線計算疲勞壽命時，通常先采用goodman公式進行修正平均應力的影響，goodman公式表示為：

40、

41、式中：σb為材料的抗拉極限，σm與σa分別為實際工況下的應力均值和應力幅，σ-1為應力比為-1時的應力幅值，單位均為mpa。

42、疲勞損傷為累加所有應力水平下的損傷，表示為：

43、

44、式中：dj表示疲勞損傷，單位為1；t表示時間，單位為h；ni表示部件在應力幅σi下已經完成了ni次循環(huán)，單位為1；ni表示部件在此應力幅下能承受的總循環(huán)次數(shù)，單位為1；m表示不同的應力幅個數(shù)，單位為1；當疲勞損傷達到1時部件失效。

45、更進一步地，在本發(fā)明步驟五中所述統(tǒng)計分析得到各部件的可靠度，計算原理表示為：

46、

47、式中：t表示時間，單位為h；n表示為樣本總數(shù)，di表示為第i個樣本的損傷，表示為第j個部件在t時刻的可靠度，單位均為1；i(x)為指示函數(shù)，表示為：

48、

49、所述整機機理模型的可靠度，可表示為：

50、

51、式中：t表示時間，單位為h；p{dp(t)＜1}為整機機理模型在t時刻的可靠度，j表示第j個部件，表示為第j個部件在t時刻的可靠度，單位均為1。

52、更進一步地，在本發(fā)明步驟六中，所述計算統(tǒng)計的部件失效率數(shù)據(jù)的可靠度，對于可靠性試驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定失效率的通用部件，如一些密封件和通用件，可以認為這些部件的失效數(shù)據(jù)是在關鍵部件正常運行的條件下獲得的，并且假定這些部件的失效相互獨立，這些部件的可靠度表示為：

53、

54、式中：t表示時間，單位為h；dp(t)和dd(t)分別為損傷向量dp(t)和dd(t)的某種范數(shù)，可表示為：

55、dp(t)＝||dp(t)||

56、dd(t)＝||dd(t)||

57、式中：dp(t)表示由機理模型計算的一部分部件的損傷，為隨時間變化的隨機向量；dd(t)表示由數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得的另一部分部件的損傷，也為隨時間變化的隨機向量；p{ddk(t)＜1}為數(shù)據(jù)統(tǒng)計的第k個部件的可靠度，單位為1，可被表示為：

58、

59、式中：k表示為由數(shù)據(jù)統(tǒng)計的第k個部件，單位為1；t表示t時刻，η表示η時刻，ξ表示ξ時刻，單位均為h；λk(η)為第k個部件η時刻的瞬時失效率，單位為h-1。

60、所述融合后的整機可靠度，計算原理表示為：

61、r(t)＝p{dp(t)＜1,dd(t)＜1}＝p{dp(t)＜1}p{dd(t)＜1|dp(t)＜1}

62、式中：r(t)為機理和數(shù)據(jù)融合后的整機可靠度，單位為1；t表示t時刻，單位為h；dp(t)和dd(t)分別為損傷向量dp(t)和dd(t)的某種范數(shù)，可表示為：

63、dp(t)＝||dp(t)||

64、dd(t)＝||dd(t)||

65、式中：dp(t)表示由機理模型計算的一部分部件的損傷，為隨時間變化的隨機向量；dd(t)表示由數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得的另一部分部件的損傷，也為隨時間變化的隨機向量。

66、在本發(fā)明步驟二中，能量守恒方程、質量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程針對各子系統(tǒng)的容積建立，考慮了每個曲軸轉角下狀態(tài)參數(shù)的變化，采用預報校正法求解。在步驟三中，基于曲柄連桿機構運動學和動力學構建動力學模型并求解各部件的載荷。在步驟四中，基于動力學得到的部件載荷作為邊界條件，基于archard模型計算摩擦副的磨損量，基于材料的s-n曲線和疲勞累計損傷理論計算部件的疲勞，以蒙特卡洛算法對磨損模型和疲勞模型中的不確定性參數(shù)生成相應分布的樣本。在本發(fā)明步驟五中，統(tǒng)計分析多樣本的磨損和疲勞損傷得到部件和整機機理模型的可靠度。在本發(fā)明步驟六中，從統(tǒng)計的先驗數(shù)據(jù)得到部件統(tǒng)計模型的可靠度，與機理模型融合后得到整機可靠度。

67、與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明的有益效果為：相較于傳統(tǒng)的柴油機可靠性預測方法，本方法具有兩個顯著特點。其一，本方法針對柴油機實時可靠性建模，并可綜合考慮活塞環(huán)實時磨損量與性能之間的耦合關系。其二，本方法不僅關注柴油機部件的機理模型，更可融合先驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型。本發(fā)明將機理模型和統(tǒng)計數(shù)據(jù)互相融合來預測柴油機整機可靠性，顯著提高了柴油機可靠性計算的置信度。