一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法技术

本发明专利技术一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，首先收集试验数据，然后建立性能指标退化模型，并根据试验数据确定该产品遭受环境载荷有效冲击的环境变化率阈值，并估计模型中的未知参数，最后确定有效冲击发生的时间以及进行寿命与可靠度预测，具体步骤为：步骤一：收集试验数据；步骤二：建立退化模型；步骤三：确定环境变化率阈值；步骤四：估计待估参数；步骤五：预测有效冲击发生的时间；步骤六：可靠性预测与验证；本发明专利技术方法考虑了环境和载荷的变化对产品性能退化的影响，即同时考虑对性能退化率和对退化指标造成的有效冲击，这使得预测方法更符合实际，提高了预测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法
：本专利技术涉及一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，属于退化建模及寿命预测

技术介绍
：随着科技的发展，产品的可靠性要求越来越高，特别在航空航天电子船舶等军工领域，武器装备关键部件的寿命与可靠性至关重要。针对军工产品具有长寿命、高可靠性的特点，通常采用性能退化建模的方法对产品进行寿命预测。传统的退化建模方法主要是针对静态条件进行的。然而，在产品实际使用中，产品的环境和载荷都可能随时间而发生变化，所以用传统方法对产品进行寿命预测的精度并不高，而近年来针对时变环境下的退化建模与寿命预测技术也成为了一个热点。目前考虑时变环境的退化建模方法主要分为三类，(1)考虑时变环境或载荷对产品造成的随机冲击；(2)考虑时变环境或载荷对产品退化率的影响，而此类模型不考虑任何冲击损伤；(3)考虑时变环境对退化率的影响以及对产品造成的冲击损伤。虽然近年来国内外专家也开始对时变环境下的退化建模开始了大量的研究，但是仍然有许多不足，其中的大部分模型，将退化率和冲击损伤分开研究，这不符合实际情况。虽然(3)类方法同时考虑时变环境对产品性能退化率和退化指标冲击影响，但对于冲击损伤部分的研究，仍然只考虑了时变环境下的随机冲击或环境应力突变对产品造成的瞬时冲击，而忽略了工程实际中，因环境应力变化过快而产生的有效冲击，这将对产品寿命预测的精度产生重要的影响，也可能造成以产品剩余寿命预测值为依据的产品更换、视情维修等重大决策的失误，为了提高预测精度，我们提出了考虑有效冲击的退化建模以及寿命预测方法。在介绍本专利技术前，我们先对退化建模国内外的研究现状做一个综述：a)静态条件下的退化建模目前的退化建模与寿命预测方法主要只是针对静态条件下进行的。1969年，GertsbackhandKordonskiy[Gertsbakh，I.，andKordonskiy，K.Modelsoffailure[J].Springer-Verlag，1969.](失效模型)提出了用性能退化数据评估产品可靠性，并提出一种斜率和截距均为随机参数的简单线性模型。LuandMeeker[Lu，C.，andMeeker，Q.UsingDegradationMeasurestoEstimateaTime-to-FailureDistribution[J].Teehnimetrics，1993，35(2)：161-174.](利用退化方法估计故障时间分布)提出了一种通用的方法，即基于随机系数回归模型描述其退化路径，其将任意时刻的退化测量值描述为真实路径部分和随机误差部分的总和，其中，真实路径部分又包括固有效应部分和随机效应部分。固有效应部分描述了所有样本相同的退化趋势，而随机效应部分描述了个体特有的退化趋势。WeaverandMeeker[Weaver，B.，andMeeker，W.Methodsforplanningrepeatedmeasuresaccelerateddegradationtests[M].JohnWileyandSonsLtd.2014.](加速模型的重复测量方法)研究了重复测量退化的最优化设计，实现了最优化加速重复退化研究的方法。产品在退化过程中，其内在特性随着时间的变化也有其不确定性，因此，一些学者开始采用随机过程模型来刻画产品的退化轨迹。LiaoandElsayed[Liao，H.，andElsayed，E.Reliabilitypredictionandtestplanbasedonanaccelerateddegradationratemodel[J].InternationalJournalofMaterials&ProductTechnology，2004，21(5)：402-422(21).](基于退化加速模型的可靠性预测)提出了具有独立增量的随机过程模型，它采用随机过程方法描述样本的退化趋势。Wang[Wang，X.Wienerprocesseswithrandomeffectsfordegradationdata[J].JournalofMultivariateAnalysis，2010，101(2)：340-351.](含随机效应维纳过程的退化模型)考虑了样本退化过程中的不同样本间的差异性，建立了含有随机效应的维纳退化模型。Noortwijk[Northwick，V.Asurveyoftheapplicationofgammaprocessesinmaintenance[J].ReliabilityEngineering&SystemSafety，2009，94(1)：2-21.](Gamma过程在维修性研究中的应用综述)对Gamma过程在可靠性维修性研究中的应用情况进行了综述。BagdonaviciusandNikulin[Bagdonavicius，V.，andNikulin，M.Estimationindegradationmodelswithexplanatoryvariables.[J].LifetimeDataAnalysis，2001，7(1)：85-103.](基于具有协变量的退化模型的可靠性评估)利用Gamma过程来描述产品的退化过程，给出了含协变量的产品性能退化建模与寿命预测方法。静态条件下考虑环境因素的退化建模是基于加速退化试验的数据及分析结果，建立给定环境下产品性能退化模型方法，此类方法虽然考虑环境因素，但仍假设环境因素恒定不变。加速试验是将产品暴露于多个高应力水平下，加速其退化过程，通过分析产品在各高应力水平下的性能退化测量值，建立包含应力水平的退化模型，从而预测产品在低应力水平下的寿命和可靠性。Eghbali[Eghbali，G.Reliabilityestimateusingaccelerateddegradationdata.Piscataway[J].USA：RutgersUniversity，2000.](基于加速退化数据的可靠性预测)提出了几何布朗运动退化率模型，Huangetal.[Huang，T.，Jiang，T.，andHuo，R.LifetimePredictionofProductBasedonProportionalHazards-ProportionalOddsModelinAcceleratedLifeTesting[J].AdvancedMaterialsResearch，2010，118-120：444-448.](基于加速比例危险-优势模型的寿命预测)提出了加速比例退化危险-优势模型等。b)时变条件下的性能退化建模时变条件下的性能退化建模，这一类方法没有环境不发生改变的假设，这更符合很多产品的实际使用情况。目前考虑时变环境的退化建模方法主要分为三类，下面对其做一个介绍。(1)随机冲击模型在时变环境下，产品会受到外界环境随机冲击的影响，当今，对于随机冲击模型已经有了大量细致深入的研究。Ross[Ross，M.GeneralizedPoissonShockModels[J].AnnalsofProbability，1981，9(5)：896-898.](广义泊松冲击模型)详细讨论了一般的冲击模型；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：收集试验数据通过试验或者工程实际收集产品性能退化数据，在时变环境和载荷剖面下，在每个预设的时间间隔，获取一次性能退化数据和与之相对应的环境或载荷状态量，将数据进行实时存储；步骤二：建立退化模型性能退化模型采用下式所示的带有退化率累积效应项和有效冲击的漂移布朗运动来表示：

【技术特征摘要】
1.一种考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：收集试验数据通过试验或者工程实际收集产品性能退化数据，在时变环境和载荷剖面下，在每个预设的时间间隔，获取一次性能退化数据和与之相对应的环境或载荷状态量，将数据进行实时存储；步骤二：建立退化模型性能退化模型采用下式所示的带有退化率累积效应项和有效冲击的漂移布朗运动来表示：其中，X(0)为产品性能在初始时刻的性能指标值；B(t)为标准布朗运动；Σ为扩散参数,刻画了产品退化过程中的不一致性与不稳定性，不会随时间和条件的改变而改变，所以扩散参数为常数；σB(t)～N(0,σ2t)；w(t)为环境或载荷在t时刻的量值；v是积分公式里的一个变量，上限是t,下限是0；r(w(t))为产品性能退化率，是一个与环境和载荷有关的确定性函数；当环境应力为电应力时，采用幂律模型r(w(t))＝aw(t)b描述其退化率；当环境应力为温度时，采用阿伦尼斯模型r(w(t))＝ae-b/w(t)；S(w(τj))为有效冲击,其中τj为第j次有效冲击发生的时间，j＝1,2,...,N(t),N(t)为截止到时间t为止有效冲击发生的次数；将有效冲击发生的时间定义为：其中，和为环境变化率大于其阈值l时间段的开始和结束时间，即在时间区间内，γ为待估参数，w(t)为t时刻的环境状态量，为时刻的环境状态量；有效冲击模型如下所示：其中，α和β为待估参数；w(τj)为τj时刻的环境状态量；步骤三：确定环境变化率阈值3.1环境应力的降低对产品造成冲击损伤的情况极少，所以不考虑环境应力降低对产品造成有效冲击，根据环境剖面，计算环境应力单调递增段的平均变化率表示第i段单调递增的环境应力剖面；3.2根据已知的退化数据，找出有效冲击发生的时间段，而其对应环境剖面的应力平均变化率必定大于阈值，相反其余未发生有效冲击的环境应力单调递增段，其环境平均变化率就小于阈值，由此根据已有历史数据估算其环境变化率阈值；首先根据退化数据确定有效冲击发生的时间段，并得出其对应的环境应力平均变化率，计算其中的最小值即为发生有效冲击环境变化率的最小值；其次，计算其余未发生有效冲击的环境应力单调递增段的环境平均变化率，取其中最大值即为未发生有效冲击环境变化率的最大值；3.3取和的中值为环境变化率阈值l，对于某些特殊情况，当所有环境应力递增的环境剖面内都发生有效冲击，也就是没有办法确定未发生有效冲击境变化率的最大值根据工程实际将环境变化率阈值l设为发生有效冲击环境变化率的最小值步骤四：估计待估参数，并对模型进行实时更新通过最大似然法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄婷婷，彭博，杨顺昆，周堃，
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