一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于系統(tǒng)可靠性分析及壽命評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)可 靠性分析及使用壽命評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代機(jī)電裝備是集機(jī)、電、光、液、氣等多類技術(shù)于一體的多功能復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，系 統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜，由成百上千個(gè)子系統(tǒng)，以及上萬(wàn)個(gè)零部件等組成，而且系統(tǒng)性能將直接影 響整個(gè)產(chǎn)品的工作效率。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)具有不確定性、非線性等系統(tǒng)特性；其中非線性即系 統(tǒng)特性不能用屬性線性模型描述，這是系統(tǒng)復(fù)雜性產(chǎn)生的根本原因。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)對(duì)可靠 性要求較為嚴(yán)苛，如航空、航天、電力系統(tǒng)等，系統(tǒng)故障將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失以及嚴(yán)重的 社會(huì)影響。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)工作環(huán)境嚴(yán)酷，主要受沖擊、振動(dòng)、高溫、低溫、等因素的影響。如， 一些水下工作機(jī)電裝備受壓變形，應(yīng)力過大將會(huì)引起工作部件及支承損壞等；長(zhǎng)期貯存，受 潮、鹽霧、霉菌及積塵等，容易導(dǎo)致絕緣下降和短路過載。對(duì)于復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，某些關(guān)鍵部件 一旦失效，將直接導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品裝置無(wú)法工作，從而影響整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的使用壽命。
[0003] 目前基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和加速壽命試驗(yàn)，從數(shù)據(jù)處理角度，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)零部件或子系 統(tǒng)可靠度或壽命進(jìn)行估計(jì)的方法已經(jīng)成熟，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平均壽命及使用壽命進(jìn)行評(píng)估 和驗(yàn)證還處于空白。由于復(fù)雜系統(tǒng)可靠度完全由組成設(shè)備的可靠度決定，而系統(tǒng)的平均壽 命卻沒有這種直接的關(guān)系，進(jìn)而利用常規(guī)的可靠度計(jì)算方法來估計(jì)系統(tǒng)平均壽命是不合理 的。
[0004] 系統(tǒng)的可靠性刻畫了產(chǎn)品的壽命特征，并包涵可靠度、平均壽命、失效率、可靠壽 命等指標(biāo)。工程上關(guān)心的可靠性指標(biāo)常為裝備系統(tǒng)的使用壽命。根據(jù)GJB451A-2005的定 義，使用壽命是"產(chǎn)品使用到無(wú)論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上考慮都不宜再使用，從而必須大修或 報(bào)廢時(shí)的壽命單位數(shù)"。對(duì)于壽命服從不同分布的產(chǎn)品，其平均壽命、特征壽命定義也不相 同。指數(shù)分布產(chǎn)品其平均壽命也稱為特征壽命，是產(chǎn)品失效率的倒數(shù)；而威布爾分布產(chǎn)品， 其尺度參數(shù)即為特征壽命，是產(chǎn)品失效概率為63. 21 %時(shí)的百分壽命，而平均壽命是與形狀 參數(shù)和尺度參數(shù)相關(guān)的一個(gè)量。產(chǎn)品使用壽命的度量前提是對(duì)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性以及大修或報(bào)廢 適時(shí)性進(jìn)行一個(gè)度量。因此，平均壽命與使用壽命是不相同的兩個(gè)概念。當(dāng)對(duì)產(chǎn)品信息數(shù) 據(jù)掌握不夠充分的情況下，往往較難直接得到產(chǎn)品確切的使用壽命，但可以通過一定的方 法對(duì)產(chǎn)品平均壽命進(jìn)行初略估計(jì)，再通過外推估計(jì)使用壽命。
[0005] -些大型的復(fù)雜系統(tǒng)，由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，往往不具備全系統(tǒng)試驗(yàn) 的條件，因此，對(duì)其可靠性指標(biāo)的評(píng)定不能像對(duì)元器件那樣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大批量的統(tǒng)計(jì)試 驗(yàn)。實(shí)際工程中，通常很難獲得對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的壽命數(shù)據(jù)或者僅能獲得極少的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 但往往能夠獲得部分構(gòu)成系統(tǒng)的部件設(shè)備壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)此，本發(fā)明結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，研宄其相應(yīng)的評(píng)估方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命評(píng)估方 法。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命評(píng)估方法，包括以下步 驟：
[0008] A :對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能分析，確定復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件及重要部件，建立系統(tǒng) 任務(wù)功能原理圖，并根據(jù)系統(tǒng)特有結(jié)構(gòu)屬性，對(duì)系統(tǒng)使用壽命分析建模做出假設(shè)；
[0009] B :根據(jù)步驟A得到的系統(tǒng)任務(wù)功能原理圖，以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 成功樹模型；
[0010] C :將步驟B得到的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成功樹模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)步 驟A中的假設(shè)，簡(jiǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型；
[0011] D :根據(jù)系統(tǒng)各部件壽命分布及壽命范圍，利用變異系數(shù)法，得到各部件壽命分布 及分布參數(shù)值；
[0012] E :將步驟D中所得各部件壽命分布及分布參數(shù)值帶入步驟C建立的簡(jiǎn)化的貝葉斯 網(wǎng)絡(luò)模型，推理分析出整個(gè)系統(tǒng)的壽命分布情況及平均壽命值。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟A中對(duì)系統(tǒng)使用壽命分析建模做出假設(shè)，具體包括：
[0014] (1)假設(shè)系統(tǒng)各部件與其內(nèi)部關(guān)鍵有壽零組件同分布，且同壽命；
[0015] (2)忽略在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，沒有出現(xiàn)過故障或出現(xiàn)故障次數(shù)與設(shè)備總開機(jī)年數(shù) 之比小于或等于設(shè)定閾值的零部件；
[0016] (3)系統(tǒng)各部件進(jìn)行定期維修或更換時(shí)，視其為修復(fù)如新。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟D具體為：
[0018] Dl :根據(jù)各部件壽命區(qū)間數(shù)[T1, T2]，得到區(qū)間數(shù)的均值f湘離差Γ分別為：
[0019]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命評(píng)估方法，其特征在于，包括以下步驟： A :對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)功能分析，確定系統(tǒng)關(guān)鍵部件及重要部件，建立系統(tǒng)任務(wù)功能原理 圖，并根據(jù)系統(tǒng)特有結(jié)構(gòu)屬性，對(duì)系統(tǒng)使用壽命分析建模做出假設(shè)； B :根據(jù)步驟A得到的系統(tǒng)任務(wù)功能原理圖，以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成功 樹模型； C :將步驟B得到的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)成功樹模型轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)步驟A 中的假設(shè)，簡(jiǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型； D :根據(jù)系統(tǒng)各部件壽命分布及壽命范圍，利用變異系數(shù)法，得到各部件壽命分布及分 布參數(shù)值； E :將步驟D中所得各部件壽命分布及分布參數(shù)值帶入步驟C建立的簡(jiǎn)化的貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 模型，推理分析出整個(gè)系統(tǒng)的壽命分布情況及平均壽命值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A中對(duì)系統(tǒng)使用壽命分析建模做 出假設(shè)，具體包括： (1) 假設(shè)系統(tǒng)各部件與其內(nèi)部關(guān)鍵有壽零組件同分布，且同壽命； (2) 忽略在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，沒有出現(xiàn)過故障或出現(xiàn)故障次數(shù)與設(shè)備總開機(jī)年數(shù)之比 小于或等于設(shè)定閾值的零部件； (3) 系統(tǒng)各部件進(jìn)行定期維修或更換時(shí)，視其為修復(fù)如新。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟D具體為： Dl :根據(jù)各部件壽命區(qū)間數(shù)[T1, T2]，得到區(qū)間數(shù)的均值f和離差Γ分別為：
從而得到壽命T的變異系數(shù)f如下式所示：
D2 :根據(jù)步驟Dl得到的各部件的壽命區(qū)間數(shù)，由公： 以及各部件壽命 分布，通過估計(jì)得到各部件壽命分布的分布參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，還包括步驟E、：在步驟D的基礎(chǔ)上， 根據(jù)蒙特卡洛仿真方法評(píng)估系統(tǒng)的壽命，具體包括以下分步驟： E、1 :根據(jù)步驟B建立的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)成功樹模型，得到系統(tǒng)最小順序路集； E、2 :建立系統(tǒng)最小順序路集與系統(tǒng)任務(wù)成功事件之間的關(guān)系模型，對(duì)應(yīng)建立起系統(tǒng)壽 命與部件壽命之間的關(guān)系； E、3 :根據(jù)步驟D得到的分布及分布參數(shù)值，采用蒙特卡洛方法，對(duì)各部件壽命進(jìn)行抽 樣，生成各部件的偽失效時(shí)間； E、4 :根據(jù)步驟E、2中建立的系統(tǒng)壽命與部件壽命之間的關(guān)系以及步驟E、3得到的各部 件的偽失效時(shí)間，確定整個(gè)系統(tǒng)的偽失效時(shí)間； E、5 :重復(fù)步驟E' 3到步驟E' 4的過程N(yùn)次，得到N個(gè)系統(tǒng)偽失效時(shí)間，取其均值為整個(gè) 系統(tǒng)平均壽命； E、6 :對(duì)步驟E、5中的N個(gè)系統(tǒng)偽失效時(shí)間進(jìn)行從小到大排序，進(jìn)而得到在指定可靠度 下的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用壽命評(píng)估方法，本發(fā)明的方法從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度入手，首先建立“系統(tǒng)成功完成作業(yè)”事件的成功樹模型。在較少部件的數(shù)據(jù)信息情況下，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)基本部件及其壽命分布。并且根據(jù)工程數(shù)據(jù)，應(yīng)用變異系數(shù)法得到各個(gè)部件的壽命分布參數(shù)。本方法克服了傳統(tǒng)方法對(duì)大量數(shù)據(jù)的依賴性，并充分利用并結(jié)合了試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和工程人員經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是一種較為全面且有效的方法；在得到系統(tǒng)部件壽命分布及分布參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和蒙特卡洛仿真兩種方法分別從不同的角度評(píng)估并驗(yàn)證系統(tǒng)的平均壽命，進(jìn)而推算整個(gè)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的使用壽命。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號(hào)】CN104657613
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510088525
【發(fā)明人】米金華, 李彥鋒, 黃洪鐘, 朱順鵬, 劉宇, 付國(guó)忠, 楊圓鑒, 殷毅超, 張小玲
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年2月26日