相關(guān)性失效的機械系統(tǒng)Copula可靠性模型與應(yīng)用研究.pdf

1、機械可靠性是一綜合性系統(tǒng)工程問題，其理論與方法有著廣泛的工程應(yīng)用價值，尤其在機械產(chǎn)品發(fā)展日趨高性能、高強度、高精度化的形勢下，對其可靠性指標(biāo)則提出更高的要求。既不同于傳統(tǒng)機械設(shè)計方法，也不同于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)可靠性理論方法，機械系統(tǒng)可靠性問題具有多變量、多狀態(tài)、概率化、多指標(biāo)、干涉理論基礎(chǔ)性、受環(huán)境影響、維修性、系統(tǒng)化研究等諸多特點。但目前較為成熟的機械系統(tǒng)可靠性預(yù)計、分析和設(shè)計理論多是沿承了電子產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性分析模型，實際上機械系統(tǒng)及其

2、零部件的失效機理、承載特點與電子電路系統(tǒng)及其元件有著截然差異，一是電子元件的狀態(tài)二值性(失效與正常)不太適用于機械零件的多態(tài)性和多失效模式；另一本質(zhì)區(qū)別是電子產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性理論多以獨立性失效為先決條件，但失效相關(guān)性卻是機械系統(tǒng)可靠性的重要特征。忽略失效相關(guān)性下的機械系統(tǒng)的可靠性分析與評價，常常會導(dǎo)致過大的誤差，甚至得出錯誤的結(jié)論。
　　本文引入目前國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢較為迅猛的Copula相關(guān)性理論，圍繞機械系統(tǒng)可靠性分析中涉及的四類靜

3、態(tài)相關(guān)性，改進(jìn)現(xiàn)有零部件及系統(tǒng)的可靠性計算評估模型，應(yīng)用Copula相關(guān)性理論探索機械系統(tǒng)的可靠性理論、方法和工程化建模步驟，為機械設(shè)計、運行、維修提供指導(dǎo)。
　　行文沿機械系統(tǒng)可靠性分析中涉及的各類靜動態(tài)相關(guān)性這根主線，以推進(jìn)式、適用性、系統(tǒng)化的原則展開。
　　零部件可靠性的精確計算是對機械系統(tǒng)可靠性正確評估的基礎(chǔ)。論文首先從機械零件可靠性計算入手，基于機械零部件應(yīng)力與強度兩者負(fù)相關(guān)結(jié)構(gòu)，利用copula理論，建立了應(yīng)力-

4、強度相關(guān)性干涉的可靠度計算模型。驗證了零件可靠度是隨應(yīng)力強度相關(guān)程度參數(shù)變化的區(qū)間連續(xù)值；說明了獨立干涉條件下的可靠度計算結(jié)果偏于開放。鑒于機械零件的綜合應(yīng)力、強度的各分量之間存在著的正相關(guān)性，也給出了在既定失效判據(jù)下，其分布的確定方法。并考慮了零件強度和應(yīng)力隨工作時間的變化歷程，建立了強度衰減過程的動態(tài)相關(guān)性干涉模型。
　　以強度為判據(jù)的設(shè)計計算是機械設(shè)計的重點。常規(guī)設(shè)計的數(shù)值型安全系數(shù)不能體現(xiàn)應(yīng)力、強度分布的離散特征；傳統(tǒng)的隨

5、機安全系數(shù)-可靠度計算方法又缺乏考慮應(yīng)力、強度之間的干涉相關(guān)性。為此，建立了應(yīng)力-強度相關(guān)干涉下隨機安全系數(shù)-可靠度計算方法；并以此為基礎(chǔ)，給出了相關(guān)性干涉下的典型機械零件靜強度可靠性設(shè)計的處理步驟。
　　針對機械零件的多失效模式特征，本文提出一種新的機械零件綜合可靠度計算模型--C-R(Copula-Reliability)算法，通過與主次系數(shù)法、Ditlevsen窄界法、獨立性下界法、最薄弱環(huán)節(jié)上界法作比較，驗證了C-R算法的

6、準(zhǔn)確性、有效性。
　　在機械系統(tǒng)可靠性方面，比較詳盡地研究了零部件失效相關(guān)下各類典型不可修系統(tǒng)可靠性的響應(yīng)特征；把系統(tǒng)可靠度計算基本公式廣義化、普適化，使之適用于各類型系統(tǒng)和更廣泛工況。針對典型的不可修系統(tǒng)(包括串、并聯(lián)、混聯(lián)、k/n(G)表決、儲備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))，從零部件壽命相關(guān)結(jié)構(gòu)的角度入手，建立對應(yīng)的失效相關(guān)機械系統(tǒng)Copula可靠性分析計算模型，刻畫了相關(guān)強弱程度對系統(tǒng)可靠性的動態(tài)影響。通過系統(tǒng)可靠度隨零部件數(shù)目變化的對比，

7、驗證了模型的合理性，同時給出了零件失效壽命相關(guān)結(jié)構(gòu)的選擇準(zhǔn)則和相關(guān)程度參數(shù)的估計方法。
　　確定零部件的可靠性設(shè)計要求，進(jìn)行可靠度分配，是機械系統(tǒng)可靠性正確預(yù)計的重要應(yīng)用。本文在失效相關(guān)的系統(tǒng)可靠性計算模型基礎(chǔ)上，給出相對失效概率的相關(guān)性Copula可靠度分配法和零件失效相關(guān)條件下的再分配方法。
　　考慮可修系統(tǒng)零部件工作壽命、故障部件修復(fù)時間之間的正相關(guān)性，且將時間變量放寬到一般連續(xù)分布，而不局限于指數(shù)分布?；贑opul

8、a函數(shù)的相關(guān)性理論，給出微時間差t→t+△t內(nèi)系統(tǒng)一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣概念，進(jìn)而演算出狀態(tài)轉(zhuǎn)移密度矩陣，經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)方程，分別給出了單部件、串聯(lián)型、二不同單元和一修理工組成的并聯(lián)可修系統(tǒng)的瞬時可用度和穩(wěn)態(tài)可用度計算模型；給出存在瞬時多重故障、零部件工作壽命和故障零件修復(fù)時間變量均相關(guān)、時間變量分布任意的k/n(F)可修系統(tǒng)一般性Copula可用度計算模型。
　　為完成對機械系統(tǒng)零部件故障的風(fēng)險定量評估，從故障影響、故障沖擊的角度考慮故障