一种间断应力下考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法技术

本发明专利技术公开一种间断应力下考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，总体技术方案如下：首先收集试验数据，然后建立性能指标退化模型，并估计模型中的未知参数，最后进行寿命与可靠度预测，本发明专利技术方法，其优点在于：在对有效冲击研究的基础上，针对更加普遍的环境状况，提出了动态条件下考虑有间断情况的有效冲击的退化建模与寿命预测技术，分析间断时间以及应力变缓阶段环境应力变化率对有效冲击发生时间的延迟作用,这使得预测方法更符合实际，提高了预测精度。

A Degradation Modeling and Life Prediction Method Considering Effective Impact under Discontinuous Stress

【技术实现步骤摘要】
一种间断应力下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间断应力下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，特别在电子，运输，制造，医疗等关键部件的寿命与可靠性至关重要。针对目前工业生产的新特点，新要求，传统的基于失效数据的可靠性建模与寿命预测技术以及难以解决现代可靠性的工业问题。基于退化数据的退化建模与寿命预测技术就是在这种背景下提出并被普遍关注和广泛研究的近年来，随着各种现代化高新技术的开发和应用，产品(特别是武器装备)日趋复杂，各国都在运用现代化高新技术研制和生产各种高新武器装备，这使得装备使用和作战的环境也更加复杂。可以说，现代战争是现代化、全天候、全方位复杂环境中的立体战争，武器装备要经历比过去更为多变的环境条件，所以近年来针对这种复杂多变环境条件的退化建模与寿命预测技术也成为了一个热点。目前动态环境下的性能退化模型通常可以分为两类：1)，动态环境下不考虑冲击的退化建模，此类模型只考虑动态环境对产品性能退化的影响，而不考虑冲击载荷的对产品造成的影响2)，动态环境下考虑冲击的退化建模，即同时考虑动态环境与冲击载荷对产品性能退化的影响，而在此类模型中，冲击通常被定义为随机冲击，应力突变造成的应力转换冲击，或者由于应力变化过快而造成的有效冲击。在介绍本专利技术前，我们先对动态环境下退化建模国内外的研究现状做一个综述：a)动态环境下不考虑冲击的产品性能退化建模目前，针对动态环境下不考虑冲击的退化模型已经做了大量的研究，而针对不同的产品或者系统，根据它所处动态环境的不同，我们又可以将动态环境分为随机动态环境和既定动态环境两类来分别进行考虑。针对随机动态环境这一类问题，通常是基于随机过程对动态环境进行建模，比如，马尔科夫过程，维纳过程，和伽马过程等等。Kharoufeh[Kharoufeh.J.,ExplicitresultsforwearprocessesinaMarkovianenvironment[J].OperationsResearchLetters,2003,31(3):237-244.](基于马尔可夫环境的退化建模)基于马尔科夫过程对产品所处的随机环境进行了建模，并通过拉普拉斯变换得出产品的失效时间分布，从而进行寿命预测。Kharoufeh和Cox[Kharoufeh.J.,andCox.S.,Stochasticmodelsfordegradation-basedreliability[J].AIIETransactions,2005,37(6):10.](基于退化的随机模型)基于连续时间马尔可夫链(CTMC)对某些系统所处的随机环境进行建模，并提出相应退化率受随机环境影响的退化模型，并基于此对系统的寿命或剩余寿命进行预测。ZhaiandYe[Zhai.Q.,andYe.Z.,DegradationinCommonDynamicEnvironments[J].Technometrics,2017(3).](动态环境下的退化建模)提出了一个基于维纳过程的考虑动态区块效应的退化模型。模型中区块效应被定义为同一退化试验内，测试对象在共同动态环境下的退化时序相关性，而具有逆高斯分布的维纳过程则是用来对此时序相关性进行动态建模。LawlessandCrowder[Lawless.J.,andCrowder.M.,CovariatesandRandomEffectsinaGammaProcessModelwithApplicationtoDegradationandFailure[J].LifetimeDataAnalysis,2004,10(3):213-227.](基于伽玛过程的考虑协变量与随机效应的退化模型)提出一种基于伽玛过程并考虑随机效应的退化模型，模型中随机效应项用来描述随机环境下各样本间的差异性。Shuetal.[Shu.Y.,Feng.Q.,andKao.E.P.C.,Levy-drivenNon-GaussianOrnstein–UhlenbeckProcessesforDegradation-BasedReliabilityAnalysis[J].AIIETransactions,2016,48(11):993-1003](基于levy逆高斯过程的可靠性建模)基于Levy和逆高斯过程建立了考虑随机环境下退化信号随机跳变的退化模型。Cinlar[Cinlar.E.,ShockandwearmodelsandMarkovadditiveprocesses[J].InShimi,I.andTsokos,C.editors,TheoryandApplicationsofReliability,pages193–214.AcademicPress](考虑马尔科夫叠加过程的冲击与退化模型)采用马尔科夫过程描述随机环境效应，并将退化过程描述为增长的Levy过程，以此为基础对产品进行寿命预测。工程实际中，某些产品的未来环境剖面是已知的，GebraeelandPan[Gebraeel.N.,andPan.J.,PrognosticDegradationModelsforComputingandUpdatingResidualLifeDistributionsinaTime-VaryingEnvironment[J].IEEETransactionsonReliability,2008,57(4):539-550.L](动态环境下退化建模与剩余寿命预测)提出了一种考虑既定动态环境应力的退化模型，模型中的确定性和随机系数则用来描述产品在动态环境下总体和样本间退化特性的差异。最后，基于提出的模型，文章通过对动态载荷下轴承退化数据的分析，对所提出的模型进行了验证。BianandGebraeel[Bian.L.,andGebraeel.N.,Stochasticmethodologyforprognosticsundercontinuouslyvaryingenvironmentalprofiles[J].StatisticalAnalysis&DataMining,2013,6(3):260-270.](时变环境下的随机预测)则提出了一个动态环境下基于维纳过程的退化模型，模型中退化率函数描述了动态环境对产品性能退化率的影响。文章通过历史数据与实测数据相结合的方式对模型参数进行拟合，并通过贝叶斯方法对产品进行可靠度预测。最后，同样通过对动态载荷下轴承退化数据的分析，对所提出的方法进行了验证。b)动态环境下考虑冲击的产品性能退化建模在实际情况下，产品可能同时经历退化过程，以及冲击损伤过程，所以，在对产品进行退化建模时必须同时考虑这两方面因素，才能准确地反映产品性能的实际退化过程。目前的退化模型大部分都是把随机冲击和动态环境对产品退化过程的影响分开来研究，然而在很多情况下，这两种情况在产品使用过程中是同时存在的，所以在建立模型时需要同时考虑这些因素。因此，近年来也有一些学者提出了一些同时考虑两种因素的退化模型。Zuoetal.[Zuo.M.,Jiang.R.,andYam.R.,Approachesforreliabilit本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种间断应力下考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，其特征在于：该方法步骤如下：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，在动态环境剖面下，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：建立退化模型动态环境下，考虑有间断情况下有效冲击的退化模型可表示为：

【技术特征摘要】
1.一种间断应力下考虑有效冲击的退化建模与寿命预测方法，其特征在于：该方法步骤如下：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，在动态环境剖面下，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：建立退化模型动态环境下，考虑有间断情况下有效冲击的退化模型可表示为：其中，X(0)-产品性能在初始时刻的性能指标值；B(t)-标准布朗运动；σ-扩散参数,刻画了产品退化过程中的不一致性与不稳定性；通常不会随时间和条件的改变而改变，所以扩散参数一般为常数,σB(t)～N(0,σ2t)；w(t)-环境或载荷在t时刻的环境应力水平；r(w(t))-产品性能退化率，通常是一个与环境和载荷有关的确定性函数；如当环境应力为电应力时，一般采用幂律模型r(w(t))＝aw(t)b描述其退化率，当环境应力为温度时，则可采用阿伦尼斯模型r(w(t))＝ae-b/w(t)；Sj-为第j次有效冲击造成的产品退化量的增量,即冲击损伤量；下面对有间断情况下的有效冲击做一个分析：a)有间断情况下有效冲击发生时间对任意时刻t(t≥0)，X(t)代表t时刻的退化信号，w(t)代表t时刻的环境应力水平，环境应力水平在急剧上升过程中，在有效冲击发生之前，应力水平突然短时间内变得平缓下来，然后又继续急剧上升；为第jth环境应力急剧变化的起始时间，为对于这个阶段内，环境应力变缓的起始时间，为第jth环境应力急剧变化的结束时间，而为环境应力变缓时间段的结束时间；本发明中，假设间断前后的环境平均应力变化率相同，且大于有效冲击阈值l,而应力变缓阶段环境平均应力变化率小于阈值l，下面针对各种环境剖面，分析其对产品造成有效冲击所发生的时间；第一，环境应力急剧上升时没有间断的情况，为第jth环境应力急剧变化的起始时间，而为其结束时间，在这个时间段，环境平均变化率大于阈值l，即如果这段时间足够长，有效冲击发生的时间τj将处于这个时间段，即Sj表示第jth有效冲击对产品退化信号造成的增量，即冲击损伤量；无间断情况下，第jth有效冲击发生的时间可定义为，当时，其中γ为待估参数，为环境应力急剧上升阶段平均应力变化率；第二，环境应力水平在急剧上升过程中，在有效冲击发生之前，应力水平突然短时间内变得平缓下来，然后又继续急剧上升，当间断阶段的持续时间足够小，且小于这个阶段间断时间阈值下限时，这段过程将不会对有效冲击发生的时间产生延迟作用，即，当以及时，其中γ为待估参数，为环境应力急剧上升阶段平均应力变化率；由式可知，当间断时间小于阈值下限时，除去间断时间间隔Δτ′，有效冲击发生所需要的时间与无间断情况下大致相同，这表明，当间断时间足够小时，这段过程将不会对有效冲击发生的时间产生延迟作用；第三，当间断时间大于阈值下限小于上限时，这段过程将会对有效冲击发生的时间产生延迟作用，即,当以及时，当以及时，其中γ和η为待估参数，为环境应力急剧上升阶段平均应力变化率，为间断阶段环境应力变化率；由式可知，当间断时间环境应力变化率越小，间断阶段对有效冲击发生的延迟时间越长；同时，根据工程经验，当间断阶段环境应力变化率小于0对于有效冲击发生时间的延迟效果与其等于0时基本相同，所以在公式中，当时，令当即没有间断情况下，公式亦可表示无间断情况下有效冲击发生的时间；此外，当时，这段时间不仅不会对有效冲击发生的时间产生延迟作用，相反将会加速有效冲击的发生；第四，当间断时间大于上限时，有效冲击发生的时间在间断过程后将重新开始计算，即，当以及时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄婷婷，彭博，杨顺昆，赵玥浦，于紫玄，杜辰博，
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