多失效模式下的模式重要性测度及解法

针对工程中普遍存在的多失效模式系统可靠性问题,为提高或改进设计,需要研究失效模式对系统不确定性的影响因素。基于前人提出的基本变量重要性测度,提出了三种模式重要性测度:模式对系统失效概率的重要性测度、模式对系统响应量概率分布的重要性测度和模式功能函数与系统功能函数的相关系数。这三种模式重要性测度从不同的角度反映了失效模式对多模式系统不确定性的贡献。初步讨论了三种模式重要性测度的性质以及其所服务的工程目的,同时给出了模式重要性测度的标准数字模拟求解方法。根据本文提出的模式重要性测度,可以得到模式对系统不确定性的贡献的排序,从而为可靠性设计提供指导。给出了数值算例和工程算例,以说明所提出的模式重要性测度的合理性和可行性。     

基于RTLCA的高铁运行震动下RC桥结构劣化分析

为了解高铁列车产生振动对钢筋混凝土桥(RC桥)结构可靠性劣化的影响,分析桥的寿命、可用性、极限失效概率,首次使用基于可更新的生命周期分析法(RTLCA),模拟了桥结构可靠性劣化过程。过程模拟考虑了桥是可维护的,并假设劣化只来源于列车行驶产生的震动。研究结果表明,不同失效概率值(a值)对系统可用性、系统寿命、系统极限失效概率均有影响,且形式上与现有文献得到的趋势相似。对文中提到的实例桥参数进行分析得到:极限失效概率大约在120年趋于稳定;小的失效概率值有利于长期的桥结构使用,可预计桥的明显退化波动时间段为30年~40年。     

大型汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定

文中提出了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的设计和评定方法。介绍了汽轮机部件低周疲劳安全寿命的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础，把汽轮机部件的低周疲劳寿命处理为随机变量，对低周疲劳试验数据进行统计分析来确定材料低周疲劳寿命的分布参数，使用可靠性理论来确定汽轮机部件的低周疲劳安全寿命。文中给出了低周疲劳寿命服从正态分布和对数正态分布时汽轮机部件低周疲劳安全寿命的计算方法和应用实例。该方法考虑了汽轮机运行参数随机性和材料低周疲劳特性离散性的影响，为汽轮机部件低周疲劳寿命的设计、评定和诊断提供了科学的依据。     

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。     

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.     

参数灵敏度分析的神经网络方法及其工程应用

在系统分析中,参数灵敏度分析不仅为判断各系统参数的重要性大小提供了依据,量化的灵敏度指标也是后续参数估计的前提。然而,在多效实际系统中,系统参数与系统状态间的显式函数关系不易得到,导致一阶灵敏度指标无法直接求取。简化的单因素分析方法亦存在模型粗糙、精度不高的缺点。本文研究采用人工神经网络的高精度泛化映射,通过少量样本的训练,建立复杂系统中多个系统参数与系统状态间的近似映射关系,继而推导得到统一的灵敏度计算列式。简单结构的神经网络方法和解析方法的对比计算显示了方法的有效性和可靠性。最后,应用该法对某斜拉桥结构的荷载参数和刚度参数进行了考查,得到一般性结论。     

利用蒙特卡洛方法计算陶瓷刀具磨损可靠性

在连续切削条件下,陶瓷刀具的失效形式是以磨粒磨损为主的摩损失效,其磨损寿命由材料的断裂韧性、硬度和切削过程的参数决定,利用蒙特卡洛方法分别随机生成断裂韧性与硬度的样本值,利用连续车削试验确定切削过程参数,将得到的样本值与切削参数相结合可计算刀具在相应切削条件下的磨损寿命及其可靠性,计算结果表明：陶瓷刀具的断裂韧对磨损寿命的可靠性影响较为明显,因而可以利用断裂韧性来估算磨损可靠性。     

二级加载下疲劳可靠性分析

基于二维概率Miner准则,建立了在二级变幅加载下进行疲劳可靠性分析的系统方法并采用八组较大子样的二级低高和高低加载下的试验数据进行了验证、结果表明;本文方法初步实现了对第一级加载后的剩余疲劳寿命和二级加载下的疲劳总寿命进行较为准确的可靠性预测,预测值与试验值吻合良好     

W1型铁路弹条疲劳性能研究

对WJ-7型铁路弹条扣件系统中的W1型弹条在不同载荷幅值(7.5kN、10kN、12.5kN)下的疲劳性能进行实验研究,通过可靠性研究方法得到了包含存活率的P-F-N曲线(其中P为可靠度,F为弹条扣压力,N为循环次数),提出了不同可靠度的疲劳寿命方程。结果表明弹条扣压力随载荷循环次数衰减,扣压力衰减曲线呈三阶段变化,第二阶段占疲劳寿命的70%,且基本成线性。最后通过线性疲劳积累损伤理论建立了疲劳寿命预测模型,提出了采用微损实验来预测疲劳寿命的方法。     

小子样条件下某型加速度计步降加速寿命试验优化设计

为了解决小样本条件下某型加速度计进行步降应力加速寿命试验的方案优劣难以评估的难题,提出一套适合于工程应用的优化设计方法。首先针对自然贮存试验的统计数据,采用基于极小卡方估计和拟合优度检验相结合的贮存可靠性评估方法以及最小二乘法建立寿命分布模型和加速方程。然后进行高温老化试验,依据失效模式分析机制和已建的失效树确定加速应力上限,完善加速寿命试验先验知识。最后对试验样本量进行可信度评定并根据先验知识采用基于思维进化算法优化BP神经网络的仿真方法进行优化设计,得到最优试验方案并通过试验进行验证。结果表明,该最优试验方案计算得到的先验参数值与原值之间的相对误差不超过1.7%,可以满足工程应用。     

动态结构系统可靠性的频率灵敏度分析

基于频率可靠性理论提出了动态结构系统的频率可靠性灵敏度的计算方法. 根据动态结构系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机结构振动问题的可靠性模式和系统的可靠度,进而提出了频率可靠性灵敏度分析方法,应用随机摄动技术、可靠性理论和灵敏度方法,推导出参数为正态随机变量时的准失效概率灵敏度的表达公式,对动态结构系统共振问题的可靠性灵敏度分析方法进行了探索. 并在此基础上,以一简化的车身-车轮-路面关系的系统模型为例,由可靠性灵敏度矩阵可以看出,各随机参数的变化对动态结构系统的可靠性及失效性的影响程度也不同,其计算结果与通常的定性分析结果完全一致,验证了所提方法的有效性. 该方法为动态结构系统的优化和设计提供了依据.      

基于实测数据的扁平钢箱温度梯度疲劳应力谱分析方法

为研究扁平钢箱梁温度疲劳应力谱,以南溪长江大桥悬索桥主梁为研究对象,基于温度传感器长期实测数据,筛选实测数据的日温度极值,运用广义极值模型描述季节极值概率分布并采用极值外推方法得到设计基准期极值模型。引入拉丁超立方抽样(LHS)法对极值模型进行抽样,得到日温度极值样本。结合日温度极值样本和正弦函数模型,构建服役期内关注点的温度时程曲线。基于有限元ANSYS软件平台,分析不同温度梯度下关注点的应力效应,回归温度梯度与疲劳应力的线性关系式,依据温度梯度时程曲线与线性关系式模型,采用雨流计数法得到钢箱梁温度梯度疲劳应力谱。研究表明,模拟抽样生成的温度样本数据符合温度场的季节变化特征,样本概率模型与实测数据概率模型相对吻合。关注点温度梯度疲劳应力谱能够为扁平钢箱梁疲劳寿命设计提供参考。     

基于顺序统计量的加速度计恒加寿命试验优化设计

针对模型参数先验信息未知下的加速度计恒加寿命试验优化设计方法缺乏的问题,提出了一种加速度计恒加寿命试验的优化设计方法。首先,分析了加速度计的加速寿命预实验结果,并初步制定加速度计的加速寿命试验方案;而后,基于顺序统计量和整体线性无偏估计理论,以每个应力水平下的样本分配为设计变量,同时以加速度计在正常应力水平下中位寿命估计值的方差最小和模型参数的协方差阵行列式最小为优化目标,建立加速度计定数截尾恒加寿命试验优化设计的数学模型。模型计算结果表明,两种优化目标的求解结果一致,确定加速度计的试验方案为(8|4, 2, 2),即8个样本在应力水平S 1、 S 2、 S3下分配的样本量分别为4、2、2,验证了所提出方法的可靠性。     

柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.      

腐蚀与缺口对LY11铝合金疲劳极限影响的试验研究与分析

以飞机螺旋桨叶常用材料ＬＹ１１ＣＺ铝合金锻件的材料试件、腐蚀试件和缺口试件的疲劳极限实验结果为依据,研究了腐蚀与缺口对疲劳极限的影响,给出腐蚀试件和缺口试件疲劳极限的关系,并建立起一种只用材料疲劳极限来确定严重腐蚀情况对应的疲劳极限分布的方法,以适应螺旋桨叶等按无限寿命准则设计的构件评估腐蚀后疲劳可靠性的工程需求．     

振动主动控制系统降级工作模式研究

振动主动控制系统是通过获取振动传感器信号、驱动作动器施加作动力以降低平台振动水平的机电综合系统。对于振动环境恶劣的装备平台,振动主动控制系统工作的稳定性直接影响平台使用体验。当系统内硬件数量较多时,系统对部件可靠度敏感度较高。为了提高系统功能可靠性,保证装备平台安全,在不改变硬件的前提下,本研究从优化控制策略出发,提出了两种系统降级模式,并对其进行可靠性分析;在降级模式的基础上,基于切换系统方法,针对硬件故障数量的不同设计不同等级的降级模式;针对不同降级模式下系统控制参数,对作动器进行最优组合设计,得到在不同降级模式下系统减振控制的最优高维度模型矩阵;最后在实验室内,基于振动主动控制系统实验环境,针对作动单元降级模式进行了实验验证,通过模拟部件故障状态,验证系统降级工作策略与控制模型优选设计的正确性,提高了系统功能可靠性。     

基于通用生成函数的惯导部件可靠性建模

惯性导航系统是飞机、导弹等复杂装备的重要部件。准确评估其可靠性是装备使用、保障和遂行作战任务的基础。在分析基于通用生成函数方法构建多状态可靠性模型研究的基础上,设计了一种基于通用生成函数方法的性能相依多状态系统可靠性建模的仿真算法,以某型飞机的惯性导航计算部件为研究对象对模型的正确性进行了验证,并且和基于贝叶斯网络可靠性建模方法进行了比较,结果表明:①设计方法可行与贝叶斯方法可靠性结果一致且计算速度快,其中贝叶斯算法过程约需3.72e-02 s,而基于UGF的算法需要1.8810e-03 s左右;②所建模型可以获得多状态系统性能状态的分布特性。     

基于MEA-BP神经网络的涡轮盘低循环疲劳寿命预测与概率评估

作为航空发动机的关键部件,涡轮盘在高温、高转速的严酷条件下工作．低循环疲劳作为涡轮盘的主要失效模式,对其失效寿命和可靠性有重要影响．涡轮盘的结构复杂性,使得基于仿真数据的疲劳寿命预测和概率评估的难度显著增加,直接使用蒙特·卡罗方法(Monte Carlo Method, MCM)的计算量非常大,而传统响应面法(Response Surface Method, RSM)精度达不到计算要求．鉴于思维进化算法(Mind Evolutionary Algorithm, MEA)优化反向传播(Back Propagation, BP)神经网络的方法具有很强的非线性逼近能力,本文探索MEA-BP神经网络和MCM抽样相结合的方法,开展涡轮盘的低循环疲劳寿命预测与概率评估．与MCM、RSM、BP神经网络法进行对比,验证MEA-BP神经网络的优越性．结果表明,MEA-BP神经网络不但可以满足精度要求,而且可以显著提高计算效率．通过灵敏度分析,得出了影响寿命的主要因素,为涡轮盘可靠性设计提供有效依据．     

高超声速舵面热气动弹性不确定性及全局灵敏度分析

鉴于高超声速中气动热预测的不确定性影响热气动弹性分析的可靠性,提出一种温度分布参数化模型,基于此模型,对高超声速舵面热气动弹性中气动热的不确定性及全局灵敏度进行分析,分析方法:求解N-S方程得到物面的温度分布,对此温度分布进行参数化,分别采用蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation,MCS)方法和稀疏网格数值积分(spare grid numerical integration,SGNI)方法生成不确定性及全局灵敏度分析所需样本,对所有样本都进行热气动弹性分析,热气动弹性分析过程为:由样本得到温度分布,基于此温度分布,考虑热应力和材料属性的影响,对结构进行模态分析,将结构模态插值到气动网格,采用基于CFD的当地流活塞理论进行了气动弹性分析.分别在两种飞行状态下进行分析,计算结果表明:(1) M=5,H=15 km,结构固有频率和颤振分析结果的变异系数约为5.83%;(2) M=6,H=15 km,结构和颤振分析结果的变异系数约为8.84%.两种状态下,两个不确定参数的全局灵敏度都在50%左右,两者耦合作用很小,约为0.与MCS方法相比,SGNI方法显著的提高了不确定性分析效率.      

自紧身管疲劳寿命的可靠性分析

基于概率断裂力学理论和Monte Carlo模拟方法，给出了自紧身管疲劳寿命的可靠性分析方法．自紧残余应力采用了符合身管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算，身管工作的应力强度因子通过权函数方法得到．实例分析结果表明，对数正态分布为身管疲劳寿命的最佳分布，同时给出了各种置信度和可靠度下的身管疲劳寿命．另外，还分析了初始裂纹尺寸和材料的断裂韧性对身管疲劳寿命的影响．该研究对保证身管的安全，避免灾难性事故的发生具有重要意义．