第一章緒 論

在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)、貯存、使用和維修等全壽命周期的不同階段，通過可靠性評估準確掌握產(chǎn)品的可靠性這一內(nèi)在屬性，具有重要的意義。其主要目的是分析產(chǎn)的可靠性是否滿足全壽命周期各階段的可靠性目標；檢驗產(chǎn)品的設(shè)計是否合理、工藝是否正確、使用是否得當；為產(chǎn)品設(shè)計的改進，生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，貯存、使用和維修保障策略的合理制定，以及產(chǎn)品可靠性的增長提供技術(shù)和信息支撐�？煽啃栽u估是可靠性工程的核心研究內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的可靠性評估方法是基于壽命數(shù)據(jù)的，即失效時間的，通常通過壽命試驗獲取充足的壽命數(shù)據(jù)，或通過大量收集的產(chǎn)品在實際使用過程中或者模擬使用環(huán)境中的失效數(shù)據(jù)，然后采用經(jīng)典統(tǒng)計方法來實現(xiàn)可靠性評估。但是，隨著產(chǎn)品可靠性水平的提高，大量高可靠長壽命機械產(chǎn)品被廣泛使用，比如電液伺服閥、陀螺儀、太陽翼展開機構(gòu)和姿控飛輪等。對于此類高可靠長壽命產(chǎn)品，在有限的研制時間和成本內(nèi)，很難通過壽命試驗或者加速壽命試驗獲取足夠的壽命數(shù)據(jù)以支持足夠精度的可靠性評估工作。然而，此類產(chǎn)品往往在系統(tǒng)中扮演著極為重要的角色，也是我們開展可靠性評估研究的重點對象，這就在客觀上要求可靠性評估方法不斷發(fā)展改進以解決長壽命、高可靠、小樣本產(chǎn)品可靠性評估困難的問題。
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第二章 融合壽命數(shù)據(jù)與退化數(shù)據(jù)的可靠性評估

2.1 引言

退化軌跡模型是最先被提出的退化可靠性模型，能夠解決壽命數(shù)據(jù)的有無問題，但是不能解決樣本數(shù)量的多少問題。受試驗成本、試驗周期的限制，可靠性評估工作經(jīng)常遇到小樣本的問題。尤其是對于一些小批量生產(chǎn)的長壽命、高可靠機械產(chǎn)品，受樣本量和試驗平臺的限制，可靠性試驗數(shù)據(jù)缺乏。如何在小樣本條件下實現(xiàn)較高精度的可靠性評估，一種重要的思路就是以已有的小樣本試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合其他可靠性信息，即充分利用和產(chǎn)品相關(guān)的多源可靠性信息。在這樣的背景下，融合多源可靠性信息的可靠性評估方法研究，已成為可靠性工程領(lǐng)域的一個熱點問題。除專家基于工程經(jīng)驗給出的主觀信息以外，最常見的可靠性信息也是最有價值的信息是產(chǎn)品、相似產(chǎn)品以及歷史型號產(chǎn)品在使用過程中留下的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)通常是以壽命數(shù)據(jù)的形式存在的。本章在介紹如何利用退化軌跡獲取偽壽命數(shù)據(jù)后，提出基于貝葉斯方法的壽命數(shù)據(jù)和其他一些可靠性信息，以解決機械產(chǎn)品可靠性評估中的小樣本問題。

2.2 退化軌跡模型

退化軌跡模型是提出最早、應用最廣泛的退化可靠性模型。如圖 2-1 所示，與產(chǎn)品性能相關(guān)的某個特征量隨著產(chǎn)品服役時間而逐漸增加，這個特征量就被稱為退化量。當退化量達到失效閾值時，就認為產(chǎn)品發(fā)生了軟失效，這個失效閾值通常由實際工況或者相關(guān)標準決定。對退化量進行測定，就可以得到退化數(shù)據(jù)，對同一個樣本的退化數(shù)據(jù)可以用以時間為自變量的某種曲線進行擬合，從而得到如圖 2-1 中所示的退化軌跡。根據(jù)退化量隨時間增大的速度，可以分為線性退化軌跡（軌跡 1）、凹形退化軌跡（軌跡 2）和凸形退化軌跡（軌跡 3）。線性退化軌跡對應的曲線函數(shù)是線性函數(shù)，二階導數(shù)為零，表明其退化速度恒定；凹形退化軌跡對應的曲線函數(shù)的二階導數(shù)為正數(shù)，表明其退化率隨著時間增加而增大；凸形退化軌跡對應的曲線函數(shù)的二階導數(shù)為負數(shù)，表明其退化率隨著時間增加而變小。

第三章 考慮產(chǎn)品個體差異的可靠性評估 .............32

3.1 引言 ....................32

3.2 隨機過程模型 ..............32

3.3 考慮產(chǎn)品個體差異的 Gamma 過程模型..........38

3.4 考慮產(chǎn)品個體差異的逆高斯過程模型 ............40

3.5 實例 1：考慮個體差異的滑閥密封可靠性評估 ..................43

3.6 實例 2：考慮個體差異的砷化鎵激光器可靠性評估 ............50

3.7 本章小結(jié) ............52
第四章 基于退化量分布的疲勞可靠性評估 ............53
4.1 引言 ....................53
4.2 基于退化量分布的可靠性評估 ..............54

4.3 基于退化量分布的疲勞可靠性評估 ...........56

4.4 算例分析 ...........62

4.5 本章小結(jié) ...........66

第五章 基于多元性能退化的機械產(chǎn)品可靠性評估 .....67
5.1 引言 .................67
5.2 基于一般多元性能退化模型的可靠性評估 ...........68

5.3 基于逆高斯過程多元退化可靠性評估 .............71

5.4 非競爭關(guān)系條件下的多元退化可靠性評估 .....78

第六章 基于貝葉斯理論的退化試驗優(yōu)化設(shè)計方法

6.1 引言

可靠性試驗是可靠性評估工作最重要的信息來源。如何在一定試驗成本條件下，更合理的開展可靠性試驗，完成更高精度的完成可靠性評估，極具研究價值。在基于壽命數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)可靠性評估領(lǐng)域，壽命試驗及加速壽命試驗的優(yōu)化設(shè)計也一直是研究的熱點之一[24]。隨著大量高可靠、長壽命的產(chǎn)品出現(xiàn)，通過傳統(tǒng)的壽命試驗甚至加速試驗，在可接受的試驗成本及試驗時間內(nèi)，已經(jīng)無法獲取足夠的壽命數(shù)據(jù)進行可靠性評估。退化試驗也隨著退化模型的發(fā)展，逐漸成為一類重要的可靠性試驗，但是退化試驗相對傳統(tǒng)的壽命試驗，其方案設(shè)計變量更多、優(yōu)化問題也更為復雜。

6.2 退化試驗方案的優(yōu)化設(shè)計模型

根據(jù)試驗的類型和目的不同，其試驗方案進行優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容和目標也不相同。對于退化試驗而言，試驗樣本數(shù)量、退化數(shù)據(jù)檢測頻率、試驗時間和試驗評估結(jié)果的精度是試驗方案中最主要的要素。對于加速退化試驗，試驗者還需要考慮應力大小、應力水平數(shù)、各應力水平下的樣本分配等問題。對于機械產(chǎn)品而言，應力環(huán)境較為復雜，加速應力及加速方程難以確定，，因此本章不考慮加速條件下的退化模型及退化試驗。對于以進行可靠性評估為目的的退化試驗，可靠性評估的精度通常是試驗者最關(guān)心的問題，本文也將其作為實驗方案設(shè)計的優(yōu)化目標。當然，試驗其它要素所決定的經(jīng)濟、時間等成本因素也是試驗者需要考慮的問題，這些客觀存在的條件限制，在本實驗方案設(shè)計中被視為作為約束條件。
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第七章 全文總結(jié)與展望

本文分析了機械產(chǎn)品可靠性評估領(lǐng)域存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)，針對機械產(chǎn)品以退化型失效為主的特點，結(jié)合相關(guān)科研項目，本文的第二、三、四、五章通過將基于退化軌跡、退化量分布和隨機過程的三類最常見的退化可靠性模型針對機械產(chǎn)品的特點進行改進和發(fā)展，第六章在逆高斯過程模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于貝葉斯理論的試驗方案設(shè)計優(yōu)化方法，嘗試解決機械產(chǎn)品可靠性評估存在的壽命數(shù)據(jù)獲取、通用可靠性數(shù)據(jù)缺乏、樣本數(shù)量少、不確定性和個體差異性顯著、多元失效廣泛存在和可靠性試驗開展困難等問題。主要研究內(nèi)容和成果概括如下：（1）融合壽命數(shù)據(jù)和退化數(shù)據(jù)的可靠性評估研究。在分析說明機械產(chǎn)品評估中較難通過物理失效機理確定退化量與時間的函數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，歸納介紹了采用基于曲線擬合的退化軌跡模型進行可靠性評估的流程。分析了多源可靠性信息對于可靠性評估的重要意義，提出了基于貝葉斯方法、融合退化數(shù)據(jù)和其他多源信息的可靠性評估框架。在失效機理分析的基礎(chǔ)上開展退化試驗，建立了功能銑頭的退化軌跡模型，積累先驗信息并外推得到樣本的偽壽命數(shù)據(jù)，應用貝葉斯方融合了偽壽命數(shù)據(jù)、壽命數(shù)據(jù)和其他可靠性信息，實現(xiàn)了功能銑頭的可靠性評估工作，驗證了基于退化軌跡、同時利用貝葉斯方法融合多源可靠性信息開展可靠性評估方法的有效性。

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參考文獻（略）

本文編號：239599