考虑冲击因素的间歇工作系统可靠性分析.pdf

1、书书书测控技术年 第卷 第期装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）收 稿 日 期：基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）引 用 格 式：朱 海 振，赵 鑫，方 斌，等考 虑 冲 击 因 素 的 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 分 析测 控 技 术，（）：，（）：考虑冲击因素的间歇工作系统可靠性分析朱 海 振，赵鑫，方斌，唐 希 浪，张磊（空 军 工 程 大 学 航 空 工 程 学 院，陕 西 西 安；空 军 工 程 大 学 装 备 管 理 与 无 人 机 工 程 学 院，陕 西 西 安；国 防 大 学 联 合 勤 务 学 院，北 京）摘 要：间 歇 工

2、 作 模 式 广 泛 存 在 于 工 业 生 产 和 军 事 应 用 场 景 中，通 过 对 间 歇 工 作 系 统 转 换 点 退 化 状 态 随 机性 的 定 量 分 析，基 于 维 纳 过 程 建 立 了 多 阶 段 随 机 退 化 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 分 析 模 型，在 此 基 础 上，考 虑随 机 冲 击 因 素 对 间 歇 工 作 系 统 退 化 过 程 的 影 响，分 别 分 析 了 环 境 应 力 冲 击 到 达 强 度 和 冲 击 幅 度 随 机 特性，通 过 非 齐 次 泊 松 过 程 对 随 机 环 境 应 力 冲 击 进 行 了 建 模，得 到 了 考

3、虑 冲 击 因 素 影 响 条 件 下 的 间 歇 工 作系 统 可 靠 性 分 析 模 型。通 过 蒙 特 卡 罗 仿 真 实 验 证 明 了 模 型 对 状 态 转 换 点 随 机 性 和 冲 击 随 机 性 描 述 的 准确 性，对 不 同 参 数 条 件 下 冲 击 因 素 对 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 影 响 进 行 了 灵 敏 度 分 析，实 现 了 考 虑 冲 击 因 素的 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 定 量 描 述。关 键 词：间 歇 工 作 系 统；随 机 冲 击；可 靠 性；多 阶 段 退 化中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：

4、牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 间 歇 工 作 系 统（，）是 指 在 寿 命 周 期 内，在 工 作 状 态 和 存 储 状 态 之 间 存 在切 换 的 系 统，不 同 于 一 般 连 续 工 作 的 设 备，的寿 命 周 期 内，相 当 一 部 分 时 间 处 于 存 储 状 态。例 如在 机 载 导 弹 的 寿 命 周 期 内，除 定 期 进 行 挂 机 飞 行 训 练外，在 大 部 分 寿 命 时 间 内，导 弹 均 以 密 封 集 中 的 形 式 存储 在 国 防 仓 库 中。但 如 果 直 接 忽 略

5、存 储 状 态 下 设 备 的退 化，则 会 造 成 设 备 服 役 寿 命 和 可 靠 性 的 过 高 估 计，进而 影 响 维 护 保 障 的 决 策 过 程。在 工 作 状 态 下，设 备 由于 磨 损、振 动 和 长 时 间 通 电 等 因 素 产 生 退 化；在 存 储 状态 下，温 度、湿 度、腐 蚀 等 因 素 共 同 作 用 于各 个 部件，该 状 态 下 的 退 化 也 是 系 统 综 合 退 化 的 重 要 组 成 部分。对 间 歇 工 作 系 统 退 化 过 程 进 行 建 模 时，须 将 其 在存 储 状 态 下 的 退 化 考 虑 在 内，存 储 状 态 与 工 作

6、状 态 转换 点 的 退 化 状 态 存 在 不 确 定 性。在 设 备 运 行 过 程 中，振 动、过 载以 及 所 处 温 度场 在 短 时 间 内 的 突 然 变 化等 因 素 会 对 机 电 设 备 的 退化 过 程 造 成 影 响，例 如 普 通 金 属 材 料 在 短 时 间 内 经 历 较大 温 度 变 化，其 表 面 裂 纹 会 显 著 增 加，部 分 电 子 设 备 在经 历 过 意 外 的 撞 击 或 跌 落 后，会 由 于 焊 点 脱 落 等 出 现 突然 失 效 等。广 义 上 说，工 作 中 设 备 的 健 康 状 态 在 短 时间 内 经 历 较 大 的 跃 变 都

7、 可 以 看 作 是 经 受 了 一 次 冲 击，这种 跃 变 均 是 由 健 康 状 态 向 失 效 状 态 的 变 化，但 也 可 以 将现 实 条 件 下 部 分 退 化 状 态 突 然 恢 复 的 情 况 视 作 负 向 冲击，例 如 在 一 些 文 献 研 究 中 提 到 的 电 池 退 化 过 程 容 量 再生 等，一 般 来 说，认 为 设 备 在 冲 击 的 影 响 下 其 退 化 为正 向 的。设 备 受 到 的 冲 击 有 以 下个 特 点：作 用 时间 短，振 动 和 过 载 等 因 素 引 起 的 冲 击 往 往 发 生 在 一 瞬间，尤 其 相 对 于 设 备 的 寿

8、 命 周 期 来 说，其 持 续 时 间 基本 可 以 忽 略；冲 击 是 否 发 生 难 以 估 计，由 于 冲 击 持 续时 间 相 当 短 暂，很 难 对 其 作 用 过 程 进 行 准 确 监 测，只 能通 过 分 析 设 备 关 键 测 试 数 据 的 退 化 趋 势，在 事 后 估 计 发生 情 况；冲 击 幅 度 难 以 量 化，对 于 符 合 一 定 规 律 的 冲击 过 程，即 使 能 明 确 冲 击 发 生 情 况，冲 击 的 幅 度 以 及 由冲 击 引 起 的 设 备 退 化 影 响 也 难 以 量 化。通 过 分 析 冲击 的 特 点 可 以 发 现，对 冲 击 进

9、行 监 测 以 及 基 于 监 测 数 据和 设 备 机 理 分 析 冲 击 对 其 退 化 过 程 的 影 响 存 在 较 大 难度，基 于 统 计 模 型 的 方 法 可 以 绕 过 复 杂 的 设 备 机 理 分析，直 接 从 设 备 退 化 过 程 的 历 史 数 据 中 抽 取 相 关 信 息，是 一 种 比 较 可 行 的 方 式。该 方 法 根 据 退 化 或 失 效 数 据的 特 点，对 冲 击 条 件 下 的 退 化 过 程 进 行 随 机 过 程 建 模 和参 数 学 习，对 不 同 参 数 条 件 下 的 冲 击 因 素 对 间 歇 工 作 系统 可 靠 性 影 响 进

10、行 灵 敏 度 分 析，从 而 得 到 考 虑 冲 击 因 素的 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 定 量 描 述。在 已 有 的 研 究 成 果 中，对 分 阶 段 退 化 模 型 的 研 究主 要 集 中 于个 阶 段 退 化 过 程 的 建 模。等基于过 程 提 出 了 一 个 考 虑 多 个 变 量 的 两 阶 段 退化 模 型。考 虑 不 同 的 拐 点 触 发 模 式，等建 立 了定 量 冲 击 和 随 机 累 积 触 发 失 效 阈 值 的 两 阶 段 退 化 模型。等针 对 一 些 设 备 在 退 化 过 程 中 出 现 的 拐点 特 性，建 立 了 考 虑 拐 点 突 变

11、的 两 阶 段 退 化 过 程 模 型，并 利 用 最 大 期 望 算 法 估 计 突 变 参 数。等 考虑 退 化 失 效 阈 值 和 退 化 量 到 达 一 定 阶 段 后 的 累 积 时 间失 效 阈 值，提 出 了 两 阶 退 化 模 型，并 给 出 了 多 种 失 效 门限 类 型 的 系 统 可 靠 性 表 达 式。此 外，对 于 冲 击 条 件 下 的 设 备 退 化 过 程，也 有 一 些研 究 做 了 启 发 性 的 探 索。在 文 献 中，考 虑 将 连 续 退化 过 程 设 定 为过 程，同 时 考 虑 了 冲 击 强 度 对退 化 过 程 的 加 速 效 果，并 基 于

12、 该 模 型 实 现 对 微机 电 系 统 的 可 靠 性 分 析。需 要 注 意 的 是，过 程只 适 合 对 单 调 的 退 化 过 程 进 行 建 模 分 析。等通 过对 随 机 到 达 且 服 从 泊 松 分 布 的 冲 击 进 行 建 模，在 线 性过 程 的 基 础 上 得 出 冲 击 影 响 下 的 设 备（，剩 余 使 用 寿 命）不 确 定 性 分 布 的 表达 式。针 对 多 阶 段 退 化 过 程，等分 别 分 析 了 一 般线 性 退 化 模 型 和过 程 模 型，并 进 一 步 得 出 了 每个 模 型 在 冲 击 引 起 退 化 阶 跃 和 冲 击 加 速 连 续

13、退 化 过 程种 效 果 下 的 系 统 失 效 模 式。白 灿 等针 对 电 池 退 化过 程 中 出 现 的 容 量 恢 复 现 象，将 容 量 的 恢 复 视 作 负 冲击，在 考 虑 负 冲 击 的 条 件 下 基 于 幂 次 函 数 对 电 池 进 行 寿命 预 测，提 高 了 预 测 精 度。在 文 献 中，通 过 建 立 航天 器 阶 段 性 任 务 系 统 模 型，将 设 备 在 运 行 过 程 中 受 到 的宇 宙 射 线 等 影 响 抽 象 为 有 限 和 无 限 随 机 冲 击 模 型。以上 冲 击 模 型 重 点 在 于 对 连 续 退 化 过 程 所 受 到 的 冲

14、击 进行 参 数 分 析，进 而 将 冲 击 效 应 叠 加 到 个 体 退 化 过 程 中。间 歇 工 作 模 式 的 设 备 可 靠 性 分 析 难 点 在 于：由 于 状态 转 换 点 的 退 化 状 态 存 在 较 大 的 随 机 性，且 对 于来说，多 个 阶 段 定 量 分 析 时，须 考 虑 多 种 随 机 性 的 叠 加 效应，如 果 不 能 进 行 定 量 建 模 分 析，则 无 法 实 现 下 一 阶 段的 退 化 分 析。此 外，由 于 现 实 条 件 下 的 非 理 想 维 护 保 障和 工 作 过 程 中 不 可 避 免 的 各 类 随 机 环 境 应 力 的 冲 击

15、 也会 给 设 备 的 可 靠 性 带 来 较 大 影 响，在 分 析可 靠 性 变化 的 同 时，需 要 进 一 步 考 虑 环 境 冲 击 对 可 靠 性 的 影 响。基 于 此，在 本 文 的 研 究 中，首 先 对多 阶 段 随 机 退 化 过程 进 行 建 模，进 一 步 叠 加 了 冲 击 因 素 对 系 统 可 靠 性 的 影响，最 后 得 到 基 于 冲 击 效 应 的可 靠 性 分 析 模 型。通过 蒙 特 卡 罗 仿 真 验 证 了 可 靠 性 模 型 的 有 效 性，并 进 一 步完 成 了 不 同 冲 击 参 数 设 定 下可 靠 性 的 灵 敏 度 分 析。间 歇 工

16、 作 系 统 多 阶 段 退 化 建 模随 机 过 程 可 以 对 系 统 退 化 过 程 进 行 准 确 描 述，在 多 种 基 于 随 机 过 程 的 方 法 中，由 于过 程 可 以考 虑 冲 击 因 素 的 间 歇 工 作 系 统 可 靠 性 分 析对 非 单 调 的 退 化 过 程 进 行 建 模，且 基 于过 程 的特 定 失 效 阈 值 首 达 时 间（，）解 析 表达 式 易 于 计 算，使 得过 程 在 可 靠 性 建 模 中 被 普遍 采 用。基 于 线 性过 程 的 系 统 退 化 量 为（）（）（）式 中：为 当 前 系 统 所 在 状 态 的 初 始 退 化 量；为 随 机过 程 的 漂 移 系 数，用 以 描 述 退 化 的 线 性 过 程；为 扩 散系 数，为 对 退 化 过 程 不 确 定 性 的 度 量；（）为 标 准 布朗 运 动；（）为时 刻 系 统 对 应 的 退 化 量。基 于过 程 对 某 一 固 定 阈 值的 概 念，定 义 系 统 的 寿 命 为 ：（）（）式 中：为 系 统 失 效 阈 值，可 以 是 固 定 值，也 可 以 是变 量，