数控磨床电控系统可靠性建模与评估研究

电控系统作为数控磨床关键子系统之一,尚未有学者对其开展可靠性建模与评估研究。文章对北京第二机床厂提供的MKS型数控磨床电控系统故障数据进行预处理,并绘制概率密度散点图,发现图像趋势符合威布尔分布或指数分布,再利用最小二乘法进行参数估计,经模型检验后引入灰关联度进行模型优选,确定电控系统故障数据所属分布模型为指数分布。最后计算了电控系统平均故障间隔时间MTBF、平均维修时间MTTR和固有可用度A_(inh)。评估结果已反馈给厂家并获得认可,对提升数控磨床整机的可靠性水平有重要意义。

生存进化阶段性搜索微粒群算法及其可靠性冗余分配优化应用

为高效解决含有异质冗余的多态系统(MSS)可靠性优化问题,并弥补微粒群优化(PSO)算法易早熟收敛的不足,从作用力方式和种群拓扑结构两方面对算法进行改进。改进PSO算法中单一的作用力方式,设置前后两个搜索阶段,对应两个搜索阶段分别构造平衡引斥力方式和双层引力(个体和全局最优解引力、中间适应度微粒引力)方式,提出阶段性搜索微粒群(SPSO)算法;利用生物个体“择友而交”和优胜劣汰的生存体系构建生存进化(SE)拓扑结构,以结构演化和算法进化并行方式将该拓扑结构融入SPSO算法,提出生存进化阶段性搜索微粒群(SPSO-SE)算法,进一步提升算法的优化性能;利用Benchmark函数对所提算法与PSO的改进算法进行测试对比,结果表明,所提SPSO-SE算法具有更好的寻优能力。采用SPSO-SE算法对串-并联和桥式结构的多态系统的可靠性冗余分配问题进行优化,得到的系统结构费用更低、可靠度更高。

多维平行六面体模型非概率可靠性灵敏度分析

可靠性灵敏度能够反映基本变量分布参数对可靠度的影响程度,为可靠性分析与优化设计提供指导。提出了一种基于多维平行六面体模型的非概率可靠性灵敏度分析方法。首先,给出基本变量域完全位于安全域时采用非概率可靠性指标,而基本变量域与安全域有交集时采用非概率失效度作为可靠性度量的原因。其次,推导结构线性系统的可靠性灵敏度解析式,并进一步探讨所提方法对结构非线性系统的适应性问题。最后,通过3个工程算例验证文中方法有效可行。

一种结构不确定分析的改进多维平行六面体模型

多维平行六面体模型是一种能够同时考虑相关变量和独立变量的非概率凸集模型,更适用于工程结构中常见的多源不确定性问题。为更加有效合理地度量结构不确定性,提出一种改进多维平行六面体模型。通过定义区间变量的相关角和边缘区间,给出模型不确定域的显式表达式,进而给出依据实验样本点构建多维平行六面体模型的方法。3个算例分析结果表明,改进多维平行六面体模型能够较好地反映区间变量之间的相关性,是一种比传统多维平行六面体模型更为紧凑合理的模型。

基于焊层裂纹扩展的IGBT性能退化建模与分析

在疲劳载荷作用下,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)会发生结构损伤与性能退化,影响电力电子系统可靠性。对此,首先基于传热学理论推导焊层疲劳裂纹长度与热阻的关系,并以Darveaux模型表征IGBT焊层裂纹演化规律,提出一种IGBT性能退化模型及其待定系数的估计方法。其次,考虑实际工况的非平稳特征,利用响应面法建立IGBT变幅疲劳载荷模型,并基于雨流计数法与线性累积损伤准则实现IGBT性能退化量的评估。最后,以一款IGBT产品为例,实施功率循环试验,基于试验数据开展性能退化建模与分析,验证了模型与算法的有效性。

基于多峰优化Kriging模型与距离相关系数的高速列车动力学参数多输出灵敏度分析

高速列车动力学参数较多,有多个动力学性能的评价指标。综合考虑这些动力学指标进行参数灵敏度分析,对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。现有的单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能的影响。为避免这一缺陷,本文引入了一种新的基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术。该方法通过求解单个输入与多个输出变量之间的距离相关系数,实现多输出全局灵敏度分析的目的。为提高灵敏度分析的效率,建立了多个动力学指标与输入参数的Kriging模型;为提高近似模型的精度,引入了一种新颖的多峰优化算法对Kriging模型的超参数进行全局寻优。与传统单目标智能优化算法不同,该优化算法通过引入种群差异指标,将单目标优化问题转化为双目标优化问题,从而增加了子代种群的多样性,避免了传统优化算法易于陷入局部最优解的问题。基于所提方法,以和谐号动车组动车为例,研究了多个动力学指标的多输出全局灵敏度。结果表明:由于增强了种群多样性,所提的超参数优化方法对Kriging模型精度和稳定性提升效果明显;基于距离相关系数的灵敏度分析方法能够更加合理地识别出对车辆动力学综合性能影响较大的参数,排除几乎没有影响的参数。

多因素下风力发电机组系统可靠性分配方法的研究

针对目前可靠性分配结果较为主观的问题,以串联系统的可靠性分配方法为基础,提出了一种基于改进模糊层次分析法的可靠性分配方法。采用三标度法对多个系统可靠性影响因素进行专家评判,通过模糊层次分析法初步确定可靠性分配权重,然后对分配权重初值进行熵权法处理,建立综合分配权重计算模型,最终确定各子系统的可靠性分配权重,进而实现对机械系统可靠度分配模型的建立。以风力发电机组系统为例,将该方法应用在风力发电机组可靠性分配中。通过改进模糊层次分析法与传统的模糊层次分析法以及其它方法对该风力发电机组系统的可靠性分配结果,进行对比分析。结果表明:该方法不仅有效;而且相比于文献中的分配结果有所降低,更符合机组的实际运行情况,验证了该方法的合理性。

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。

基于序列贝叶斯更新的锂电池剩余寿命预测

针对贝叶斯方法在更新模型参数时无法充分利用历史退化数据的问题,提出基于序列贝叶斯的在线更新方法实时估计锂电池退化模型参数。构建基于指数函数的非线性维纳退化模型描述变工况下锂电池容量的退化路径,并采用最大似然估计法估计初始时刻的模型参数;利用实时容量监测数据,基于序列贝叶斯更新方法在线更新退化模型中的漂移系数;推导锂电池剩余寿命的概率密度函数并预测剩余寿命。通过对不同工况下的锂电池退化数据进行实例验证表明,与基于幂指数和线性函数的退化模型相比,由于序列贝叶斯方法能够实时更新锂电池非线性退化模型参数,采用所提模型预测的剩余寿命精度更高。

腐蚀作用下城市轨道车辆齿轮磨损可靠性研究

为解决城市轨道车辆齿轮在腐蚀性环境下的磨损可靠性预测问题,采用非齐次泊松过程和对数高斯分布表征齿面腐蚀坑的萌生和生长,并考虑磨损对腐蚀坑深度的改变,通过分析腐蚀坑对赫兹接触应力、齿面粗糙度的影响,基于Archard磨损理论,以齿面最大累积磨损深度为关键参数建立性能裕量退化模型,构建出一种腐蚀作用下的城市轨道车辆齿轮磨损可靠性分析模型,并对腐蚀过程涉及的参数进行可靠性灵敏度分析。结果表明:随着工作时间的增长,齿轮累积磨损量的不确定性增加,腐蚀对齿轮磨损可靠性的影响程度降低;腐蚀坑生长过程的比例参数、形状参数和最大腐蚀深度对可靠性的灵敏度依次增加,且均与齿轮磨损可靠寿命呈负相关关系。

机械系统可靠性理论与工程实践中若干关键问题的思考(上)

针对目前机械系统可靠性理论和实践中存在的主要问题,从全新的视角出发对机电产品中机械系统的可靠性理论和方法进行了系统的思考并给出一些新的概念,目的是促进我国机电产品中机械系统可靠性的研究和应用。主要内容如下:首先讨论了关于机械系统可靠性的几个相关概念,包括:站在用户的角度对机械系统的可靠性进行了重新定义;提出“当量故障次数”的概念,在此基础上给出考虑了故障严酷度的平均故障间隔时间(MTBFS)的可靠度计算新方法;讨论了有助于消解“乘积负效应”的可靠性分配和预计方法;接着讨论了关于机械系统故障的几个相关概念,包括:提出一种适合机械系统可靠性分析的故障新定义,提出性能故障是机械产品系统重要故障模式的新观点,从机械系统运动的角度出发从理论上系统分析了机械系统所有可能的故障模式(全故障模式),从元动作的运动故障模式出发系统地讨论了组成元动作单元的结构方面的故障原因;最后,讨论了关于多学科综合复杂机电产品可靠性的系统工程方法论,包括:从机械传动系统/机械结构系统/流体驱动系统三个分系统的角度讨论了多学科综合复杂机电产品可靠性工程的系统性分析方法,介绍了一种基于元动作的机械系统可靠性新理论。为了促进学术研究和交流,在每个新概念后都附有笔者认为有进一步研究价值的研究课题,供读者参考。

恒应力加速试验优化设计的工程实现

对加速寿命试验进行优化设计,以提高试验结果的准确性,同时节省试验成本。对加速寿命试验统计分析进行了深入研究,以恒应力加速寿命试验设计优化为例,通过分析方案要素和约束条件等建立了其优化目标函数,为采用智能算法优化恒应力加速寿命试验设计提供了理论基础。首先,确定研究对象为Weibull寿命分布产品恒应力加速试验的优化设计,根据试验目的选取优化目标函数,对优化目标函数进行推导;然后,针对基于解析优化的加速寿命试验设计方法存在的不足,从工程应用角度出发寻求新的优化方法,提出基于模拟退火算法的试验优化设计方法,并给出相应的应用验证实例;最后,通过实例验证,证明了所提出的方法能够在保证优化结果准确的基础上,解决加速寿命试验优化设计的工程应用问题。

发射设备可靠性数据采集与分析研究

利用发射设备寿命周期各阶段的可靠性工作中所产生的能够反映可靠性水平与状态的各种数据,综合评估系统的可靠性水平,可以为发射设备可靠性鉴定提供依据。为了进行发射设备可靠性评估,首先,介绍了发射设备可靠性数据来源、特点、采集和分析;然后,制定了某型号发射设备可靠性评估流程,在此基础上进行发射设备可靠性评估,并根据评估结果提出了设备的改进措施;最后,提出了加强发射设备使用阶段可靠性数据采集、采用新技术进行可靠性数据采集、加强试验数据采集管理等方面的建议。

机械系统可靠性理论与工程实践中若干关键问题的思考(下)

针对目前机械系统可靠性理论和实践中存在的主要问题,从全新的视角出发对机电产品中机械系统的可靠性理论和方法进行了系统的思考并给出一些新的概念,目的是促进我国机电产品中机械系统可靠性的研究和应用,主要内容如下:首先讨论了关于机械系统可靠性的几个相关概念,包括:站在用户的角度对机械系统的可靠性进行了重新定义;提出“当量故障次数”的概念,在此基础上给出考虑了故障严酷度的平均故障间隔时间(MTBFS)的可靠度计算新方法;讨论了有助于消解“乘积负效应”的可靠性分配和预计方法;接着讨论了关于机械系统故障的几个相关概念,包括:提出一种适合机械系统可靠性分析的故障新定义,提出性能故障是机械产品系统重要故障模式的新观点,从机械系统运动的角度出发从理论上系统分析了机械系统所有可能的故障模式(全故障模式),从元动作的运动故障模式出发系统的讨论了组成元动作单元的结构方面的故障原因;最后,讨论了关于多学科综合复杂机电产品可靠性的系统工程方法论,包括:从机械传动系统/机械结构系统/流体驱动系统三个分系统的角度讨论了多学科综合复杂机电产品可靠性工程的系统性分析方法,介绍了一种基于元动作的机械系统可靠性新理论。为了促进学术研究和交流,在每个新概念后都附有笔者认为有进一步研究价值的研究课题,供读者参考。

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。

基于Monte-Carlo仿真的恒应力加速试验方案模拟评价

为了保证可靠性加速试验方案的正确性和可行性,提出基于仿真的模拟评价方法。以最具代表性的Weibull寿命分布产品的恒应力加速寿命试验为例,以代表试验结果准确性和稳定性的指标——中位寿命估计值渐进方差的均值和标准差作为评价指标,通过Monte-Carlo仿真模拟生成失效数据,对不同试验方案的统计精度和稳定性进行评价,为加速寿命试验优化设计的工程实现提供了思路和实例验证。

硅通孔三维堆叠芯片可靠性标准研究

针对硅通孔(TSV)三维堆叠芯片在微电子封装领域面临的可靠性挑战,阐述了TSV三维堆叠的工艺流程,分析了TSV孔的制造、芯片减薄、三维键合和组装等关键工艺环节对可靠性的影响,并探讨了TSV孔的质量和可靠性等问题。基于当前TSV三维堆叠芯片的可靠性标准,明确了可靠性应力试验条件与推荐的检测方法,为提升TSV三维堆叠芯片的可靠性和制造效率提供科学依据和实践策略,促进技术的优化与升级。

基于主动学习Kriging模型的改进一次可靠度方法

结构可靠度分析的一次可靠度方法在每一迭代中均涉及迭代点的函数值及梯度值计算,但后续迭代过程不能充分利用前期迭代过程中迭代点的计算结果,因此计算效率有待于进一步提升。考虑到迭代后期迭代点在局部区域内波动,若以已有迭代结果为基础建立代理模型进行迭代后期迭代点的函数值及梯度值计算将有助于改善一次可靠度方法的计算效率。为此,该文在将一次可靠度方法的迭代过程分为全局搜索阶段与局部搜索阶段的基础上,针对两个阶段分别采用不同的计算策略,即全局搜索阶段沿用已有一次可靠度方法的迭代过程,在局部搜索阶段则基于全局搜索阶段的迭代结果建立Kriging模型,并引入可评估Kriging模型在迭代点处精度的学习函数,实现局部搜索阶段迭代点的高效率计算,从而提出了具有更高计算效率的改进一次可靠度方法。数值算例和工程算例的计算结果表明建议方法在保持精度不变的情况下,可显著提高一次可靠度方法的计算效率。

基于MPGW分布的压力蒸汽灭菌器可靠性分析

浴缸形状的失效率函数因其能够捕捉某些实际情境中的故障率特征,在机械结构可靠性分析中至关重要。引入一种修正广义幂威布尔(Modified Power Generalized Weibull,MPGW)分布,能够建模表征浴缸形状的失效率变化规律。为评估该模型的有效性,本研究使用了压力蒸汽灭菌器故障数据集进行实证研究,并将其性能与5种经典分布模型进行了比较,发现该模型在灵活性上具有较大优势。

神经网络正逆预测结合的风力机叶片强度可靠性研究

针对风力机叶片在各基本随机变量相互影响下强度极限状态难以界定的问题,提出广义回归神经网络正逆预测结合的风力机叶片强度可靠性分析方法。通过神经网络逆预测模型估算叶片失效时各随机变量状态,利用有限元分析法校核后作为强化样本用于神经网络正预测模型的训练。将该方法构建的神经网络模型与通过更多随机样本构建的模型进行比较。结果表明:前者的学习样本数量减少26%,测试集均方误差降低48.19%,平均绝对百分比误差降低58.24%,因此通过该方法构建的神经网络模型在叶片失效边界区域具有更好的预测性能。利用该模型计算叶片的强度可靠性,进一步验证了该方法的有效性。