傅惠民 飞行器可靠性设计专家

M：目前在军用飞机、导弹等武器装备研制中绝大部分经费和时间都耗费在大量的试验上，如果能减少试验工作量，就可以节省研制时间，加速我国武器装备的发展，缩短与美国等发达国家的差距。听说您一直从事小样本试验理论及其应用的研究，请谈谈这方面的情况。

傅惠民等全国政协委员提案：关于加大对我国燃气轮机产业发展支持力度的建议

燃气轮机具有能源利用的高效性、运行的稳定性、使用的灵活性、对资源环境的友好性等诸多优点,已经成为发达国家的主要发电形式之一,还可用于坦克、舰船动力等其他多个领域,是典型的军民两用产业。燃气轮机发电机组可以作为国家大电网的重要补充。

小样本加速寿命试验设计与评估方法

针对工程上加速寿命试验仍然存在时间长、试样多的问题,提出一种小样本加速寿命试验设计与评估方法。该方法只需在两个加速应力水平下进行加速寿命试验,即可对产品在正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命进行评估。文中首先利用工程上常用的线性加速模型(如阿伦尼斯模型、逆幂律模型和指数模型等)建立了正常使用应力水平下可靠寿命的单侧置信下限与两个加速应力水平下的可靠寿命置信限之间的数学关系式,给出了正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信下限评估方法。然后分别对指数分布、两参数Weibull分布和对数正态分布的定数截尾加速寿命试验情况进行了详细讨论,给出了相应的正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信下限计算公式。该方法计算简单,而且对完全数据、不完全数据以及各种分布均适用。大量工程算例和Monte Carlo模拟验证表明,与需要在多个加速应力水平下进行寿命试验的传统方法相比,本文方法不但可以节省大量试样和试验时间,而且理论上更加严谨,精度更高。

小样本积木式可靠性评估与更新方法

针对工程上只能进行极少甚至无法进行整机寿命试验,导致可靠性评估精度不高的情况,提出一种小样本积木式可靠性评估与更新方法。首先建立了能够根据机电产品子系统当前试验、以往试验和以往服役寿命数据,对其整机高置信度、高可靠度的可靠寿命进行评估的方法,从而解决了机电产品无法进行整机寿命试验时的可靠性评估难题,为其外场使用提供了科学依据。然后给出了能够根据该机电产品整机试验寿命数据和外场服役寿命数据对上述可靠寿命评估结果进行更新的方法,从而增大了信息量,显著提高其可靠性评估精度。文中针对工程上常用的指数分布、Weibull分布和对数正态分布情况进行了详细讨论,给出了相应的整机高置信度、高可靠度的可靠寿命评估与更新公式。

多应力小样本加速寿命试验设计与评估方法

针对目前多应力加速寿命试验需要的组合应力水平多、时间长、费用高的问题,提出一种多应力小样本加速寿命试验设计与评估方法。该方法建立了正常使用应力水平下可靠寿命的单侧置信下限与加速应力水平下的可靠寿命置信限之间的数学关系式,给出了正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信下限计算公式。文中首先针对工程上最常用的双应力情况,分别建立了无耦合和有耦合的双应力小样本加速寿命试验设计与评估方法,它只需在三个(无耦合)或四个(有耦合)组合应力水平下进行加速寿命试验,即可对产品在正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命进行评估。然后针对一般的m种应力情况,建立了基于多应力线性加速模型的小样本加速寿命试验设计与评估方法,它只需在m+1个组合应力水平下进行加速寿命试验,即可求得产品在正常使用应力水平下高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信下限。该方法计算简单,而且对完全数据、不完全数据以及各种分布均适用。大量工程算例和Monte Carlo模拟验证表明,与传统多应力加速寿命试验方法相比,本文方法不但可以节省大量试样和试验时间,而且理论上更加严谨,精度更高。

Weibull和正态分布不完全数据可靠性评估方法

提出一种两参数Weibull分布和正态分布定数截尾数据可靠性评估方法,建立了其高置信度下的可靠寿命和可靠度单侧置信限计算公式。同时,给出一种能够充分开发利用以往试验数据,并与当前试验数据有机融合进行可靠性评估的方法,由于增大了信息量,从而可以显著提高当前产品可靠性评估精度。在此基础上,还进一步将上述方法推广用于两参数Weibull分布和正态分布的定时截尾数据、无失效数据以及一般不完全数据的可靠性评估,从而实现了不完全数据情况机电产品高精度小样本可靠性评估。与传统的需查表计算的BLUE和BLIE等方法相比,本文方法不但理论上更加严谨,而且评估精度更高,工程计算也更加便捷。

串联系统小样本可靠度直接评估方法

建立了一种串联系统小样本可靠度直接评估方法,能够根据子系统的可靠度置信限直接给出串联系统的可靠度置信限,解决了目前常用的LM法和MML法等传统方法需将信息量较大的连续型分布的子系统试验数据转换为信息量较小的成败型数据,造成试验信息大量丢失,导致可靠度评估精度不高或偏于危险的问题。在此基础上,针对工程上许多成败型试验转计量型试验的机构都是正态分布串联系统的情况,建立了正态分布串联系统小样本可靠度直接评估方法,该方法能够根据子系统的小样本计量型数据对串联系统可靠度进行高精度评估。大量的Monte Carlo模拟验证和实例计算结果表明,传统方法在小样本情况下误差较大,甚至无法满足置信度要求,本文方法则不仅能够满足置信度要求,而且评估精度更高。此外,本文方法对工程上常用的指数分布、 Weibull分布和正态分布等连续分布均适用。

高精度小样本延寿方法

当飞机、起落架、发动机叶片等产品在外场服役至其出厂前确定的安全使用寿命(高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信下限)时,将面临延寿问题。传统方法需要选取若干个(大型产品通常为1个)待延寿产品进行寿命试验,这不但耗费大量的人力物力,而且因试样少信息量小,评估得到的寿命精度还不高。对此,本文提出一种高精度小样本延寿方法,该方法能够充分开发利用该型号产品大量的外场服役寿命数据,并结合其出厂前的定寿试验数据和延寿试验得到的寿命数据,重新对该产品的安全寿命进行评估,得到新的精度更高的安全寿命。虽然试验数据是小样本,但是外场服役数据量很大,且比试验数据更加真实可信,从而实现高精度小样本延寿。文中针对电子产品、机械产品和机电产品寿命所遵循的指数分布、两参数Weibull分布和对数正态分布情况进行了详细讨论,并给出一种延寿试验设计方法。

正态分布定数和定时截尾数据可靠性评估方法

定数和定时截尾试验是工程上非常重要的一类寿命试验,目前对于产品寿命遵循指数分布情况已有成熟的可靠性评估方法,但是对于工程上常见的产品对数寿命遵循正态分布的情况,还难以根据定数和定时截尾寿命试验数据进行可靠性评估。为此,本文首先提出一种正态分布定数截尾数据可靠性评估方法,能够根据定数截尾寿命试验数据评估产品高置信度、高可靠度的可靠寿命单侧置信限,以及给定时刻下高置信度的可靠度单侧置信下限。然后进一步将该方法推广到定时截尾试验的情况,给出一种正态分布定时截尾数据可靠性评估方法,能够根据定时截尾寿命试验数据进行高置信水平的可靠性评估。从而使工程上许多无法处理的定数或定时截尾寿命试验数据得以统计分析,实现小样本可靠性评估。

机电产品积木式可靠性评估与外场实时更新方法

针对工程上无法进行整机寿命试验,只能进行关键子系统寿命试验的大型机电产品,提出一种机电产品积木式可靠性评估与外场实时更新方法。首先,该方法能够根据机电产品关键子系统的寿命试验数据,对其整机高置信度、高可靠度的可靠寿命进行评估,从而解决了大型机电产品无法进行整机寿命试验时的可靠性评估难题,为其外场使用提供了科学依据。然后,还可以进一步根据该机电产品大量的外场服役寿命数据对上述可靠寿命评估结果进行实时更新,增大了信息量,从而显著提高其可靠性评估精度。文中针对电子产品寿命遵循指数分布的情况,给出了其整机高置信度的失效率、平均寿命、可靠寿命和可靠度的评估和更新公式。同时针对机电产品寿命遵循Weibull分布情况,给出了其整机高置信度的可靠寿命和可靠度评估和更新公式。

飞机结构积木式可靠寿命评估方法

提出一种飞机结构积木式可靠寿命评估方法。该方法能够将机翼、机身、尾翼等部件寿命试验数据与全机寿命试验数据有机融合,对飞机高置信度、高可靠度的可靠寿命(安全寿命)进行评估,与仅根据飞机全机(通常为1架)寿命试验数据进行可靠寿命评估的传统方法相比,可以显著提高飞机可靠寿命评估精度。文中首先建立能够根据机翼、机身、尾翼等部件寿命试验数据对飞机可靠寿命进行评估的方法,然后进一步建立能够根据飞机全机寿命试验数据对上述可靠寿命评估结果进行更新的方法。并对飞机结构寿命通常遵循的对数正态分布和Weibull分布情况进行了详细讨论,分别给出了相应的高置信度、高可靠度的可靠寿命评估公式。此外,本文方法也同样适用于其他大型机械产品的可靠寿命评估。

高置信度的载荷与寿命消耗折算方法

在载荷谱编制和单机寿命监控中常常需要进行载荷折算和寿命消耗折算,传统的未考虑置信度的折算方法,往往将载荷和寿命消耗折算小了,导致结果偏于危险,为此本文提出一种高置信度的载荷与寿命消耗折算方法。文中首先研究了载荷折算与置信度、可靠度的关系,结果表明在置信水平为γ、可靠度为R的定寿延寿中,应采用置信水平为γ、可靠度为R的P-S-N曲线进行载荷折算,而只有在方差相等的情况下,才可以采用置信水平为γ的中值S-N曲线进行载荷折算。然后建立了方差相等时中值S-N曲线斜率的单侧置信下限小样本评估方法,给出了方差未知和方差已知两种情况下的斜率置信下限计算公式。在此基础上,针对载荷谱编制,建立了其高置信度的载荷折算公式。针对单机寿命监控,在方差相等或已知的情况下提出了载荷谱当量应力水平计算公式,并采用整机试验结果对中值S-N曲线进行了修正,建立了任一应力水平下的置信水平为γ、可靠度为R的可靠寿命单侧置信下限计算公式,给出了将实际使用载荷转换为标准载荷或试验载荷谱上消耗的循环数公式,以及其置信水平为γ、可靠度为R的可靠寿命消耗百分比(即损伤)单侧置信上限公式,从而能够更加精准、更加简便地对产品进行单机寿命监控和在线寿命管理。

固体推进剂贮存寿命整体预测方法

在修正的阿伦尼斯公式基础上,提出固体推进剂贮存寿命的整体预测方法和两步回归预测方法。由于修正的阿伦尼斯公式考虑了温度变化对活化能的影响,所以与将活化能看成常数的阿伦尼斯方法相比,文中方法可以更准确地预测固体推进剂的贮存寿命。而且,固体推进剂贮存寿命整体预测方法能将各个老化温度下的固体推进剂试验数据作为一个整体进行统计分析,具有更大的信息量,可以提高寿命预测精度或节省大量试样。

欠观测条件下的增量Kalman滤波方法

提出欠观测条件下增量Kalman滤波的概念和定义,建立增量Kalman滤波模型及其分析方法,给出主要的计算步骤。经典的Kalman滤波方法要求量测方程有较高精度,否则在递推过程中会产生较大误差。但是量测方程通常受环境因素影响较大,而且在许多实际情况(如深空探测)中不可能对所有的使用环境逐一校准量测方程。如果某量测方程没有在某一环境条件下进行验证或校准,那么在这一条件(称为欠观测条件)下使用该量测方程往往会产生未知的系统误差,从而导致较大的Kalman滤波误差。提出的欠观测条件下增量Kalman滤波方法能够成功消除这种未知的系统误差,大大提高Kalman滤波的精度。该方法计算简单,便于工程应用。

解非线性方程组的一元化方法

提出一种求解非线性方程组的一元化方法，该方法可以将ｍ 元非线性方程组转化为与之有相同解的ｍ 个一元方程，从而使难以求解的非线性方程组变成很容易求解的一元方程。该方法收敛速度快，计算精度高，且不易发散。经过大量计算表明，许多用拟牛顿迭代法、梯度法、下降法等传统方法难以求解且易发散或收敛速度很慢的非线性方程组，采用本文方法都可以容易地求得它们的解。在此基础上还提出了多元二分法，它作为一元化方法的一个特例，非常适用于求解极值问题中遇到的非线性方程组。

秩滤波方法

基于秩统计量相关原理提出一种秩采样方法,其采样点分布合理,能够有效地模拟系统状态的概率分布。在此基础上,进一步提出一种非线性秩滤波方法,给出秩滤波的采样策略、时间更新、量测更新公式及其计算步骤。目前常用的非线性滤波方法有无迹Kalman滤波和粒子滤波。无迹Kalman滤波方法只适用于高斯分布的情况;粒子滤波方法虽然可用于非高斯分布的非线性滤波,但却存在粒子退化及重采样引起的粒子贫化问题,且计算复杂、工作量大。而秩滤波方法不仅适用于高斯分布的非线性滤波,也适用于常见的多元t分布、多元极值分布等非高斯分布的非线性滤波,并且计算简单、计算量小,便于工程应用。从仿真算例可以看到,该方法比无迹Kalman滤波方法具有更高的滤波精度。

时间序列均值和方差函数的确定方法

发现并提出一个重要定理 :时间序列的方差与该序列的差分绝对值序列的趋势项具有相同的函数形式。在此基础上 ,建立一种确定该差分绝对值序列趋势项的方法 ,该方法首先采用样本周期图和多点平均对趋势项中的周期项和非周期项进行分离 ,分别求得其函数表达式 ,然后再综合得到整个趋势项函数 ,进而求得原时间序列的方差函数形式 ,其中待定参数可根据相关系数平稳序列理论求得。该方法也可用于确定时间序列的均值函数 (趋势项 )

相关系数平稳过程时频分析方法

相关系数平稳过程是从非平稳过程中分离出的一类工程上常见且便于研究的随机过程,其均值和方差都可随时间变化,传统的平稳随机过程是它的一个特例。本文提出了相关系数AR(p),MA(q)和ARMA(p,q)序列的概念,建立了相关系数平稳过程的时频分析方法。该方法首先在时域进行全程分析,得到相关系数平稳过程的均值函数、方差函数和相关系数函数,然后可以对其进行傅里叶变换、短时傅里叶变换或小波变换,给出相关系数平稳过程的谱密度,同时提出了随机项谱密度和趋势项谱密度的概念。文中还讨论了线性系统对相关系数平稳过程输入的响应。

极小子样加速寿命试验设计和可靠性分析方法

根据寿命破坏率和剩余强度破坏率相等的原理,建立加速应力水平与正常应力水平下寿命分布之间的关系式,提出一种极小子样加速寿命试验设计和可靠性分析方法。该方法能够在极小子样的情况下,根据可靠性要求确定加速应力水平和试验截止时间,并通过加速寿命试验对正常应力水平下的产品可靠性进行验证;也可以根据高应力水平下的加速寿命试验数据,对正常应力水平下产品的寿命和可靠性进行评估。详细讨论定时无失效试验、定时截尾试验和定数截尾试验三种常用加速寿命试验的设计方法,并针对工程上常用的Weibull分布和正态分布分别推导出加速寿命试验设计、可靠性评估和寿命预测公式。与传统的加速寿命试验分析方法相比,所提出的方法更加适用于极小子样的情况,尤其是整机和部件的加速寿命试验。

动态仿真结果相关性检验和分析方法

提出动态仿真结果相关性检验方法,可以通过实测样本函数对时间序列的自相关性和两个时间序列之间的互相关性是否被正确仿真进行检验。同时,提出动态仿真结果置信区间分析方法,当动态仿真结果不正确时,该方法能分析和判断时间序列的均值、方差和自相关性、互相关性在哪些时段已被正确仿真,在哪些时段尚未被正确模拟,从而指导动态仿真软件的编制和修改。此外,文中还给出时间序列方差仿真结果的一致性检验方法。