[发明专利]一种动态级联耦合机电系统的可靠性建模与评估方法

说明书

技术领域

本发明属于可靠性技术领域，具体涉及一种动态级联耦合机电系统的可靠性建模与评估方法。

背景技术

复杂机电系统大多在复杂服役环境下运行，系统行为与物理背景密切相关，系统服役过程中性能逐渐劣化，零部件在环境载荷持续作用下损伤不断发展，呈现时变和多态特点；系统内部层次复杂，各层之间存在上下级联、层内各单元和各因素之间存在相互耦合的特点；系统故障呈现出多故障机理、多种故障模式相互作用和竞争，且相互作用及竞争关系呈现动态变化的特点。复杂机电系统的动态、级联、耦合、时变特点决定了传统可靠性理论的故障独立性、大样本统计和静态假设条件不再成立。自然科学基金委员会2010年出版的《机械工程学科发展战略报告》也明确指出：传统的系统可靠性方法不适用。

针对复杂机电系统动态可靠性建模方法，目前主要有：神经网络建模法，马尔科夫分析法、GO-Flow法、Petri网、贝叶斯网等；其中，Petri网和贝叶斯网是主流的两类方法。Petri网模型主要描述和分析离散事件动态系统的图形工具和信息流的网络，能够描述系统动态特性，目前已在复杂机电系统可靠性方面得以应用。贝叶斯网络方法(Bayesian networks，BN)能很好地表示变量的随机不确定性和多种故障模式相关性，使系统和元件的关系以及状态表达更加直观、清晰，已在可靠性分析评估、故障诊断、数据挖掘和经济等领域得到了应用。然而，上述方法均基于事件发生概率统计思想，确定性信息利用不充分，与物理背景结合不紧密。目前复杂机电系统的可靠性建模分析方法研究尚缺乏成熟的理论体系支撑，更为严重的是复杂机电系统的某些功能突变、性能劣化、故障演变与涌现等问题，难以在可靠性建模与分析过程中进行准确的分析表达。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种动态级联耦合机电系统的可靠性建模与评估方法，能够对动态级联耦合的复杂机电系统进行可靠性建模并对可靠度进行评估。

本发明的一种动态级联耦合机电系统的可靠性建模与评估方法，包括如下步骤：

步骤1、将机电系统自上而下分解成多个层次，每个层次包括若干不同单元，由此建立机电系统的结构层次图；根据所述结构层次图，将机电系统的功能进行划分，进而得到机电系统的功能层次图，其中，所述结构层次图中的一个单元对应功能层次图中的一个功能；

步骤2、根据步骤1建立的机电系统结构层次图和功能层次图，参照GJB1391-2006对机电系统进行故障模式及影响分析，根据该分析结果：

首先得到所述每个单元对应的故障模式以及每个故障模式对应的故障类别，其中，故障模式由单元的性能响应和对应的性能阈值之间的关系表征；故障类别包括退化型故障和突发型故障；

然后从所述结构层次图中由下至上逐层确定每个单元中的性能响应对本层次各单元和其它层次各单元的性能响应的影响，即得到机电系统的故障传播结果；

步骤3、根据步骤2的故障模式及影响分析结果，确定每个所述单元故障模式对应的故障原因，进而确定每个单元的可靠性影响因素及其作用机理；

步骤4、建立各层次单元的性能响应模型，结合步骤3确定的可靠性影响因素确定模型中的不确定性参数及其概率分布特征，具体为：

S4.1：建立各层次单元的性能响应模型

根据步骤1的所述结构层次图，以及步骤3所得的每个单元的可靠性影响因素及其作用机理，并结合动力学方程，由下至上逐层建立各单元的性能响应模型：

式中，M、C和K分别代表单元的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；和q代表单元的运动状态参数；代表运动约束条件，其中上角标T表示矩阵的转置；λ为拉格朗日系数；F¹代表上、下层或本层的其他单元对本单元施加的外力；F²代表本单元内静止部件对活动部件施加的作用力；

S4.2：建立各层次单元的响应状态模型

由S4.1中的公式(1)解得各单元的性能响应g(X)，其中，X＝(X₁,X₂,…，X_n)表示不同层次单元的性能响应模型中的相关参数，n表示所述相关参数的个数；则各层次单元的响应状态模型为：

Z＝b-g(X)＝b-g(X₁,X₂,…,X_n)(2)

其中，b为性能响应对应的性能阈值；