一种基于位相型近似的退化可靠性分析方法

提出了一种用于产品性能退化数据的统计模型和分析方法。研究了由于可观测环境过程影响引起退化的单一单元系统可靠性。仅用单元当前的工作环境观测量估计失效时间分布,单元的当前工作环境被表征为有限状态半马尔可夫过程(SMP)。为了利用马尔可夫特性,通过状态保留时间的观测量和转移率将环境状态逗留时间近似为位相型(PH)随机变量。PH分布的使用使得现有解析结论容易应用于遭受连续时间马尔可夫链形式变化环境过程的单元可靠性评估。利用陀螺仪性能退化分析作为实例阐明了提出方法的有效性,并与通过Monte Carlo仿真获得的结果进行了比较。     

基于加速因子不变原则的加速度计可靠性分析

针对加速退化建模时过多依靠主观经验容易造成可靠性评估结果不准确,提出一种基于加速因子不变原则的加速退化建模方法。考虑了三个具有随机参数的Wiener过程模型,通过加速因子不变原则,推导得到了三类模型各参数的变化规律。在此基础上,以Arrhenius模型为加速模型得到了加速应力下三类模型的可靠度函数,从而克服依赖假定进行加速退化建模容易造成较大误差的不足。针对模型适用但并非相对最优的问题,提出综合利用分位数图(QQ图)、箱线图、偏差信息准则(DIC)值等确定相对最优模型的方法。加速度计加速退化数据应用验证了所提方法的有效性,为加速退化可靠性评估提供了一种相对客观的技术方法。     

加速度计贮存寿命与可靠性的步进应力加速退化试验评估方法

针对加速度计长期贮存环境下贮存可靠性无法准确快速评估的难题,应用步进应力加速退化试验方法快速评估某加速度计的贮存可靠性。首先对加速度计实施故障模式影响及危害性分析和故障树分析,确定敏感应力为温度应力,加速模型为阿伦尼斯模型。其次,对其实施步进应力加速退化试验,并建立数学模型拟合其在各温度应力下性能退化曲线,结合失效阀值求解各样本的伪寿命。通过对各应力水平下样本的伪寿命进行分布假设检验,确定其贮存寿命服从威布尔分布,最终利用加速模型外推正常温度下的寿命分布参数,进行正常温度下贮存期寿命和可靠性指标的评估,得到加速度计在贮存140 160 h(16 a)时的可靠度为0.988。     

加速度计加速退化数据统计分析方法

加速退化试验广泛应用于加速度计的可靠性评估或寿命预测,然而加速退化数据统计分析方法的研究不足制约了可靠性评估或寿命预测的准确性。提出了一种基于Wiener退化模型的加速退化数据统计分析方法,利用加速因子不变原则推导退化模型各参数的变化规律,在此基础上建立加速退化模型,从而克服依赖假定进行加速退化建模容易造成较大误差的不足。针对传统的极大似然估计方法适用性不强的问题,提出了利用fminsearch函数结合最小二乘法求解极大似然估计值的方法。针对寿命预测时无法得到可靠寿命解析式的问题,提出了利用fzero函数求取可靠寿命的方法。仿真试验证明了加速因子不变原则推导结论的正确性,案例应用验证了所提方法的有效性。研究工作在加速退化建模、参数估计、寿命预测三个方面提出了有效的方法,具有一定的工程应用价值。     

基于漂移布朗运动的光纤陀螺加速贮存寿命评估

众多"长期贮存,一次使用"的军事应用需求决定了光纤陀螺的贮存寿命指标的重要性,为此针对在贮存期内具有长寿命、高可靠性特点的光纤陀螺,实施加速贮存退化试验,并采用基于漂移布朗运动的方法,对光纤陀螺的贮存寿命与可靠性进行评估.依据光纤陀螺的贮存故障模式影响及危害性分析结果,确定了加速模型,并结合线性漂移布朗运动的特点,建立了光纤陀螺可靠性评估模型.利用加速贮存退化试验的试验数据对光纤陀螺贮存寿命进行评估,得到了评估结果,从而验证了方法的适用性.     

基于首次穿越时间概率密度的时变可靠性分析

基于时变可靠性性能函数首次穿越时间的概率密度F-PTPD(first-passage time probability density)模型,提出了一种求解机械产品全寿命周期可靠性累计概率密度函数的方法(简称F-PTPD方法),为产品在全寿命周期内可靠性分析和设计提供了工具。首先,采用稀疏网络随机配置方法进行时变可靠性性能函数均值的估计,选取性能函数均值为零的第一个时刻点作为首次穿越点;其次,基于均值的首次穿越点将时变可靠性性能函数进行二阶泰勒展开,利用二次函数的性质求解性能函数首次穿越时间关于随机输入变量的函数;再次,针对首次穿越点函数,采用稀疏网络随机配置方法进行首次穿越时间的四阶原点矩估计;最后,基于四阶原点矩利用最大熵概率密度函数估计方法,推导出首次穿越点的概率分布,获得产品寿命周期内时变可靠性的累计概率密度函数。本文方法可获得产品整个寿命周期失效概率的变化趋势,极大地提高了评估效率,对复杂产品的可靠性评估设计有一定的工程指导意义。     

高量程MEMS加速度计的热应力仿真与可靠性评估

硅压敏电阻阻值漂移过大导致输出失效是高量程MEMS加速度计在恶劣温度环境下工作的主要失效模式之一。通过模拟仿真加速度计悬臂梁、芯片结构和封装后整体模型的热应力分布情况,确定了压敏电阻所在结构梁区域是最容易失效的位置,且最大热应力分布在芯片梁与质量块倒角处,其值约为107 N/m2;通过设计的高温加速恒定应力试验验证了加速度计的温度敏感特性,根据试验数据的特征采用三种可靠度评估方法定量外推出高量程MEMS加速度计在规定应力条件下的可靠度指标。研究结果表明,加速性能退化试验和基于退化量的可靠性评估方法适用于高量程MEMS加速度计在温度环境中的可靠性研究,能够利用有限的试验数据获得可信度较高的评估结果。     

在截尾数据下的运行可靠性评估及其在数控刀具上的应用

根据实际机械生产过程中设备的全寿命数据集不易获取以及性能退化数据难以在线监测的情况,提出了一种在只有少子样的截尾数据时利用设备运行状态信息来对单个设备的运行可靠性进行评估的方法。在该方法中,首先从设备的振动、电流信号中提取并优选出几项退化特征量;其次针对截尾数据,采用了高斯过程机械学习法拟合预测出设备失效时的各项退化特征指标值;然后以这些特征指标值为输入,借助于分布假设、贝叶斯推理,构建了一个运行可靠性的评估模型;最后通过数控刀具的失效实验对该方法进行了验证。结果表明:预测精度可以达到3%。此结果证明了该方法的可行性和有效性。     

基于关键器件的光纤陀螺可靠性评估

以可靠性评估技术为基础,采用关键器件法对光纤陀螺工作状态下可靠性指标进行评估。通过对光纤陀螺实施故障模式、影响及危害性分析以及故障树分析,确定光纤陀螺的关键器件为超辐射发光二极管（SLD）光源,结合SLD光源性能退化数据对SLD光源进行可靠性评估,得到SLD光源的可靠度曲线。由关键器件转换法原理可知,曲线即为光纤陀螺工作状态下可靠度曲线。通过与整机法的评估结果进行对比,得出基于关键器件的光纤陀螺可靠性评估是可信的,为光纤陀螺可靠性评估提供了一种切实可行的方法。     

光纤陀螺加速退化试验的可行性

以可靠性试验技术为基础,对加速退化试验方法在光纤陀螺产品中实施的可行性进行了探索研究。对光纤陀螺所用器件在长期使用条件下性能变化及其对陀螺整机性能的影响进行了分析,阐述了光纤陀螺性能退化存在的可能性,并通过光纤陀螺长期使用实验数据进行验证,得出了光纤陀螺具有性能退化特性的结论。采用可靠性摸底试验方法对光纤陀螺性能退化在温度环境应力下的可加速性进行了探索,通过温度加速应力下光纤陀螺实际工作性能数据分析得出其性能退化具有加速性,对光纤陀螺实施加速退化试验可行。     

Path integral solution of vibratory energy harvesting systems

A transition Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK) equation describes the procedure of the probability density evolution whereby the dynamic response and reliability evaluation of mechanical systems could be carried out. The transition FPK equation of vibratory energy harvesting systems is a four-dimensional nonlinear partial differential equation. Therefore, it is often very challenging to obtain an exact probability density. This paper aims to investigate the stochastic response of vibration energy harvesters(VEHs)under the Gaussian white noise excitation. The numerical path integration method is applied to different types of nonlinear VEHs. The probability density function(PDF)from the transition FPK equation of energy harvesting systems is calculated using the path integration method. The path integration process is introduced by using the GaussLegendre integration scheme, and the short-time transition PDF is formulated with the short-time Gaussian approximation. The stationary probability densities of the transition FPK equation for vibratory energy harvesters are determined. The procedure is applied to three different types of nonlinear VEHs under Gaussian white excitations. The approximately numerical outcomes are qualitatively and quantitatively supported by the Monte Carlo simulation(MCS).     

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

复合应力作用下强度退化的应力-强度干涉模型可靠性统计分析

在考虑随机复合应力作用下强度随使用时间不断退化时,研究了应力-强度干涉模型下的可靠性统计推断问题,给出了一个随机复合应力-强度退化干涉失效模型和模型未知参数的估计方法,该模型考虑了应力与强度退化的相关性,文章的最后利用算例验证了该模型的有效性。     

Reliability assessment of post-buckling compressive strength of laminated composite plates and stiffened panels under axial compression

A method for reliability assessment of the post-buckling compressive strength of laminated composite plates and stiffened panels under axial compression is presented in the paper. The prediction of the post-buckling compressive strength is performed by a progressive failure analysis which was developed based on a progressive stiffness degradation model and a nonlinear finite element analysis with a new explicit through-thickness integration scheme. A method coupled with the finite element analysis is proposed for reliability assessment where a finite difference method combined with an improved first-order reliability algorithm that omits the non-important random variables but retains sufficient accuracy was developed for reliability estimation. Two numerical examples are described demonstrating the capabilities of the method developed.     

基于可靠性映射函数的结构优化Structural optimization based on reliability mapping functions

基于可靠性分析理论,构建可靠性映射函数,将基于可靠性的结构优化由双层优化转化为单层优化,提高优化效率,解决基于可靠性结构优化的计算量大、不利用于工程应用的问题。可靠性映射函数具有明确理论依据,能够确保将其应用到基于可靠性的结构优化是可行的。为提高失效概率求解精度,以设计点为基础,提出一种改进响应面方法,并将其用于可靠性映射函数的求解。算例表明,该方法具有较好计算精度,功能函数评估次数明显少于其他方法,计算效率高,能够获得满意的优化结果。     

复合材料加筋板极限压缩承载能力可靠性分析

基于Abaqus软件用户子程序,利用渐进失效分析方法对复合材料加筋板极限压缩承载能力进行预测。算例分析表明,对于加筋板1和2,本文方法给出的极限压缩强度与实验结果的误差分别为2.53%和1.68%。在结构可靠性分析过程中,为提高计算效率,利用屈曲载荷与极限压缩强度之间的关系建立功能函数,只需对极限压缩承载能力进行一次分析。对于加筋板1和2,本文方法相对经典可靠性方法的计算误差分别为-1.04%和-1.01%,计算时间仅为经典可靠性方法的1.18%和1.66%。     

An eigenanalysis-based bifurcation indicator proposed in the framework of a reduced-order modeling technique for non-linear structural analysis

The Koiter–Newton method is a reduced order modeling technique which allows us to trace efficiently the entire equilibrium path of a non-linear structural analysis. In the framework of buckling the method is capable to handle snap-back and snap-through phenomena but may fail to predict reliably bifurcation branches along the equilibrium path. In this contribution we extend the original Koiter–Newton approach with a reliable and accurate bifurcation indicator which is based on an eigenanalysis of the reduced order tangent stiffness matrix. The proposed indicator has a negligible numerical effort since all computations refer to the reduced order model which is typically of very small dimension. The extension allows the identification of bifurcation points and a tracing of corresponding bifurcation branches in each sector of the equilibrium path. The performance of the method in terms of reliability, accuracy and computational effort is demonstrated with several examples.     

结构反应的内蕴相关性与可靠度分析

结构体系可靠度分析迄今是一个困难的问题.本文首先阐明了等价极值事件的概念,指出在对等价极值事件的概率积分过程中内蕴了不同事件之间的相关性信息.进而对这一概念进行推广,针对一般的复杂失效准则下的结构可靠度分析问题,构造相应的等价极值事件,从而将结构可靠度分析问题转化为极值分布的计算与积分问题.通过对结构静力可靠度与动力可靠度的实例分析表明,基于等价极值事件进行结构可靠度分析是可行的.