基于动态相关机理分析的机械系统可靠性评估方法研究

Owing to the existence of the failure modes of fatigue, wear and corrosion, conventional static reliability models cannot be used for dynamic reliability estimation of mechanical systems. In the case where the performances of components in a system degrade, the failure dependence of the components in the system presents obvious dynamic characteristics. The dynamic correlation mechanism in mechanical systems and its mathematical models need further investigation, which are the main difficulties in dynamic reliability modeling of mechanical systems. In this program, we will analyze the dynamic correlation mechanism of mechanical systems at the component level and at the system level, respectively. The dynamic reliability models of mechanical systems will be developed via the proposed variable multi-scale dynamic stochastic model based on state condensation technology. Moreover, the reliability influence function and the dynamic correlation influence function will be established to analyze the dynamic characteristics of system reliability and identify key factors that affect the dynamic system reliability and dynamic correlation of components in mechanical systems. The research will provide the guidance for reliability estimation and safety design of mechanical products, which has important theoretical and practical significance.

由于疲劳、磨损、腐蚀等失效模式的存在，传统的静态可靠性分析模型已无法用于机械系统动态可靠性的评价。当系统内零部件性能发生退化时，系统的失效相关则具有明显的动态特性。机械系统的动态相关机理及表达是目前机械系统动态可靠性建模的难点，缺少应有的重视和研究。本项目从零部件和系统两个层次，深入剖析机械系统动态相关机理，提出融合状态缩聚技术的变多尺度动态随机模型，建立机械系统动态可靠性模型。在此基础上，提出可靠性影响函数和动态相关影响函数，用于机械系统可靠性动态特性分析以及识别影响系统动态可靠性和动态相关性的重要因素。本项目的研究为机械装备的可靠性评估和安全设计提供指导，具有十分重要的理论和实际意义。

可靠性是具有时变属性的性能指标。当考虑系统内零部件的强度退化时，随机载荷历程与随机强度退化历程的相互作用是机械系统时变可靠性精确评估中的难点。传统静态模型动态化处理的方法会忽略强度退化路径相关性效应，为可靠度计算带来较大误差。同时，从系统工作机制上建立物理意义明确的失效相关系统可靠性模型也是系统时变可靠性分析的另一个难题。.针对以上问题，本项目从定性和定量角度指出强度退化路径相关性的产生原因，建立考虑随机载荷与材料参数随机特征的强度退化等效路径解析模型。在此基础上，提出考虑强度退化路径相关性的机械零部件时变可靠性评价方法。通过分析系统失效相关产生的原因，建立同时考虑失效相关和强度退化路径相关性的机械系统时变可靠性评估方法。在系统时变可靠性建模过程中，考虑了系统内零部件的随机失效以及由此引发的随机载荷重新分配和剩余强度随机退化加速问题，并且能够定量分析强度退化路径相关性对失效相关和系统时变可靠度的影响。此外，提出基于模糊通用发生函数的多状态机械系统时变可靠度计算方法，为多状态机械系统的可靠性动态特性分析提供基础。通过Monte Carlo仿真实验验证所提出模型的正确性和有效性。通过实例分析发现，强度退化路径相关性效应和失效相关效应对机械系统可靠性精确评估具有十分重要的影响。提出可靠性影响函数，结合所提出机械系统时变可靠性解析模型，可进一步识别对机械系统可靠性动态可靠性和动态相关性有重要影响的因素。最后，基于所提出可靠性模型以及动力学原理，对带传动系统、齿轮传动系统、链传动系统等典型机械系统进行可靠性评价，为机械系统的创新设计和安全评价提供理论依据。