基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其包括以下步骤：步骤一：联合使用功能相关门和故障机理促进门对载荷分配逻辑建模，建立通用的故障机理累积模型；步骤二：建立连续退化型故障机理累积模型；步骤三：建立复合冲击退化型故障机理累积模型；步骤四：建立过应力型故障机理累积模型；步骤五：利用二元决策图和故障机理树对系统进行建模；步骤六：利用Matlab对机理模型和系统模型进行可靠性仿真，并得到部件的损伤量曲线，子系统和系统的可靠度曲线。本发明专利技术从损伤量的角度出发建模，这种建模方法能更加准确和高效的计算系统的可靠度，为研究k/n系统的可靠性提供了一种新思路。

【技术实现步骤摘要】
基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法
本专利技术属于产品可靠性建模与仿真领域，具体涉及一种考虑载荷共担效应的k/n系统故障行为建模与仿真方法。
技术介绍
在可靠性工程领域，利用冗余来提高系统的可靠性是一种常见的做法，k/n系统就是其中的一种。在分析冗余系统可靠性时，常常假设系统部件是相互独立的。然而，在实际的系统中，失效的相关性会增加系统的联合故障概率，并降低整个系统的可靠度，所以越来越多的关注集中在改进故障预测模型上。载荷共担指的是在系统中所有部件共同分担载荷，当某一部件故障时，总载荷重新在剩余部件中分配。在现实中有很多的载荷共担系统，比如吊桥、并联的发电机系统、液压系统和分布式计算机系统。所以假设部件相互独立是无效的。虽然k/n系统的应用范围很广泛，但是计算此类系统的方法很有限。对其中的k/n(G)系统，即由n个部件组成，当至少k个部件正常工作则能正常运行的系统，以下简称“k/n系统”。(k的含义)从上个世纪80年代早期，一些学者就给出了k/n系统的实际例子并致力于寻求该系统可靠性的精确公式；1981年有人提出了部件独立同分布的k/n系统可靠性的精确公式，这是一个递推公式，但该公式不管形式还是推导都相当繁琐；当n个部件相互独立而可靠度不一定相同时(k的含义解释一下)，有学者给出了k/n系统可靠性的递推公式,并在此基础上设计了递归算法计算系统的可靠度，同年其他人出了一般情况下的的递推公式，此公式更快的计算出系统的可靠度。后来，一些学者开始了更符合实际的部件相依系统的可靠性和可靠性界的研究：一些学者给出了部件服从Markov条件时，k/n系统的递推公式以及精确公式。这些模型的缺点是计算可靠度的过程比较复杂，更重要的一点是没有考虑载荷共担的影响。前人也对具有载荷共担效应进行研究，提出了一些模型。比如，比例故障率模型(PHM)，故障时间加速模型(AFTM)，篡改故障率(TFR)模型是三种载荷和寿命关系模型。其中，PHM模型假设故障率是基准故障率和累积因子的乘积，AFTM模型强调载荷对寿命的影响。另外，在TFR模型中，部件的故障率完全取决于当前施加的载荷和部件的使用时长，与加载历史无关。而累积故障率(CE)模型的寿命是利用部件的有效使用时间来计算，其中有效使用时间是所有加载持续时间乘以相应的加速因子的总和。但上述PHM，AFTM，TFR和CE模型描述了载荷变化引起的故障率变化，但从未澄清变更的具体原因。因此，评估该模型的数据只能在不同的载荷加载阶段收集，这就使得这些模型在实践中难以使用。其他的一些研究分析了部件是故障型的载荷共担系统，即假定部件的故障是突然性的、灾难性的，一旦发生立即引起系统停止工作。然而另一种类型的故障是退化型的，这意味着部件的性能逐步退化，直到不能满足系统所需要的性能阈值。在部件退化的载荷共担系统中，任意一个部件退化后，每一个剩余部件的工作负载增加，导致更高故障率和性能退化率。但可以发现是，目前对载荷共担的研究还不太成熟，主要原因是载荷共担机制引入的固有复杂性。如果从部件故障的根本原因入手，即从故障机理的角度出发，问题就有了突破性的进展。实际上，部件所分担的载荷影响的是故障机理的发展速率，分担的载荷越大故障机理的发展速率也就越大。在我们以前的工作中，研究故障机理及其关系时，是用故障机理树和二元决策图(BDD)来建立系统模型的，数据分析是用故障物理(PPoF)的方法。在这些研究成果的基础上，若能提出一种基于故障机理的，可以描述k/n系统载荷共担行为，以及载荷加载历史与可靠性之间关系的模型，这将会大大简化计算过程，同时提高计算的准确度。通过对现有技术进行检索和查新，国内外尚没有学者提出并利用一种基于故障机理的模型，对考虑载荷共担效应的k/n系统进行建模，以及结合蒙特卡罗法仿真的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有建模方法无法有效评估具有载荷共担效应的k/n系统复杂的载荷历史问题，提出的故障机理累积模型描述出k/n系统在部件依次故障后，剩余部件载荷变化以及故障机理发展速率的变化，以及故障机理在不同的阶段造成的损伤量的累积，这使得对k/n系统故障行为的描述更为清晰，并能更高效、更精确地计算k/n系统的可靠度。最后配套的提出一种基于蒙特卡罗法的仿真方法。本专利技术是这样实现的：本专利技术提供一种基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其包括以下步骤：步骤一：联合使用功能相关门和故障机理促进门对载荷分配逻辑建模，建立故障机理累积模型；步骤二：根据步骤一获得的故障机理累积模型，建立连续退化型故障机理累积模型，所述连续退化型故障机理引起的载荷是阶段性变化，将每一个载荷恒定的阶段作为一个子区间，在每一个子区间上损伤量连续递增；步骤三：建立复合冲击退化型故障机理累积模型，将系统中的部件分成作为待分析故障对象的部件M和所述系统中的剩余部件N,当经过i次载荷变化后即时刻ti，部件M分担的载荷低于载荷阈值时，则所述部件M任意时刻的损伤量就是所述时刻ti之前的损伤量的累积；如果在ti时刻载荷重新分配后，剩余部件N分担的载荷超过载荷阈值，则所述部件M在第i次冲击到来时立即失效；步骤四：建立过应力型故障机理累积模型，判断过应力型机理和复合冲击型机理是否相似；步骤五：利用二元决策图和故障机理树对整个系统进行建模；步骤六：利用Matlab对机理模型和系统模型进行可靠性仿真，对整个系统的结构和功能进行分析，通过所建立的前述各故障机理的物理模型获取模型中的参数，获得所述部件M中各机理初始的寿命分布和损伤量曲线，考虑前述各故障机理之间的相关性后，得到所述部件M初始的寿命分布，并获得整个系统和所述整个系统所包含的子系统的可靠度曲线。优选地，步骤一中建立故障机理累积模型的具体步骤为：①由故障机理FMj作用下部件M的寿命τj，得到机理的单位损伤量Δdj，所述单位损伤量的表达式如下：②由步骤①得到在一个任意小的区间(tp-1,tp]内，故障机理FMj造成的损伤量dp,j。dp,j＝Δdp,j·(tp-tp-1)；③计算在时刻tl的总损伤量dj(tl)，将区间(0,tl]分为若干个子区间，然后将每一个子区间的损伤量根据以下表达式进行累加，其中，l为子区间的个数。优选地，步骤二具体包括以下步骤：利用下述表达式计算t时刻的总损伤量，连续退化过程分为线性退化和非线性退化，如果连续退化过程为非线性退化，则在将各阶段的损伤量进行累加的时候，引入损伤率θj，然后利用下列表达式得到总损伤量：优选地，步骤三在建立复合冲击退化型机理累积模型时，包括以下两种方法：①在经过i次载荷变化后即时刻ti，部件M分担的载荷低于载荷阈值，则所述部件M任意时刻的损伤量的表达式如下所示：其中，[B]i×1为在每一个载荷大小下部件承受的载荷冲击次数，[B]i×1＝[b1…bp…bi]，[A]＝[α1…αp…αi]为冲击强度系数，其定义为冲击载荷与单位冲击载荷的比值；所述部件M的可靠度函数如下表达式所示：Li表示第i次冲击时的载荷大小，Lth是部件的载荷阈值；②如果在ti时刻载荷重新分配后，剩余部件N分担的载荷超过载荷阈值，所述部件M的可靠度函数如下表达式所示：优选地，步骤四在建立过应力型故障机理累积模型时，如果过应力型机理和复合冲击型机理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤一：联合使用功能相关门和故障机理促进门对载荷分配逻辑建模，建立故障机理累积模型；步骤二：根据步骤一获得的故障机理累积模型，建立连续退化型故障机理累积模型，所述连续退化型故障机理引起的载荷是阶段性变化，将每一个载荷恒定的阶段作为一个子区间，在每一个子区间上损伤量连续递增；步骤三：建立复合冲击退化型故障机理累积模型，将系统中的部件分成作为待分析故障对象的部件M和所述系统中的剩余部件N,当经过i次载荷变化后即时刻ti，部件M分担的载荷低于载荷阈值时，则所述部件M任意时刻的损伤量就是所述时刻ti之前的损伤量的累积；如果在ti时刻载荷重新分配后，剩余部件N分担的载荷超过载荷阈值，则所述部件M在第i次冲击到来时立即失效；步骤四：建立过应力型故障机理累积模型，判断过应力型机理和复合冲击型机理是否相似；步骤五：利用二元决策图和故障机理树对整个系统进行建模；步骤六：利用Matlab对机理模型和系统模型进行可靠性仿真，对整个系统的结构和功能进行分析，通过所建立的前述各故障机理的物理模型获取模型中的参数，获得所述部件M中各机理初始的寿命分布和损伤量曲线，考虑前述各故障机理之间的相关性后，得到所述部件M初始的寿命分布，并获得整个系统和所述整个系统所包含的子系统的可靠度曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤一：联合使用功能相关门和故障机理促进门对载荷分配逻辑建模，建立故障机理累积模型；步骤二：根据步骤一获得的故障机理累积模型，建立连续退化型故障机理累积模型，所述连续退化型故障机理引起的载荷是阶段性变化，将每一个载荷恒定的阶段作为一个子区间，在每一个子区间上损伤量连续递增；步骤三：建立复合冲击退化型故障机理累积模型，将系统中的部件分成作为待分析故障对象的部件M和所述系统中的剩余部件N,当经过i次载荷变化后即时刻ti，部件M分担的载荷低于载荷阈值时，则所述部件M任意时刻的损伤量就是所述时刻ti之前的损伤量的累积；如果在ti时刻载荷重新分配后，剩余部件N分担的载荷超过载荷阈值，则所述部件M在第i次冲击到来时立即失效；步骤四：建立过应力型故障机理累积模型，判断过应力型机理和复合冲击型机理是否相似；步骤五：利用二元决策图和故障机理树对整个系统进行建模；步骤六：利用Matlab对机理模型和系统模型进行可靠性仿真，对整个系统的结构和功能进行分析，通过所建立的前述各故障机理的物理模型获取模型中的参数，获得所述部件M中各机理初始的寿命分布和损伤量曲线，考虑前述各故障机理之间的相关性后，得到所述部件M初始的寿命分布，并获得整个系统和所述整个系统所包含的子系统的可靠度曲线。2.根据权利要求1所述的基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其特征在于：步骤一中建立故障机理累积模型的具体步骤为：①由故障机理FMj作用下部件M的寿命τj，得到机理的单位损伤量Δdj，所述单位损伤量的表达式如下：②由步骤①得到在一个任意小的区间(tp-1,tp]内，故障机理FMj造成的损伤量dp,j。dp,j＝Δdp,j·(tp-tp-1)；③计算在时刻tl的总损伤量dj(tl)，将区间(0,tl]分为若干个子区间，然后将每一个子区间的损伤量根据以下表达式进行累加，其中，l为子区间的个数。3.根据权利要求1所述的基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其特征在于：步骤二具体包括以下步骤：利用下述表达式计算t时刻的总损伤量，连续退化过程分为线性退化和非线性退化，如果连续退化过程为非线性退化，则在将各阶段的损伤量进行累加的时候，引入损伤率θj，然后利用下列表达式得到总损伤量：4.根据权利要求1所述的基于故障机理损伤累积模型的载荷共担行为建模与仿真方法，其特征在于：步骤三在建立复合冲击退化型机理累积模型时，包括以下两种方法：①在经过i次载荷变化后即时刻ti，部件M分担的载荷低于载荷阈值，则所述部件M任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈颖，俞晓勇，李颖异，康锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11