机械系统时变可靠性建模理论与失效率计算方法研究

现有的机械零部件和系统可靠性模型不能真实地反映随机载荷作用次数对可靠性的影响，且失效率计算大多基于统计的寿命分布函数，不能直接体现失效率与"载荷、强度以及强度退化规律"之间的关系，因此，很难直接用于指导产品的可靠性设计、可靠性试验以及维修管理。.本项目将研究零部件与系统(等效)强度的概率分布、载荷多次作用时的失效机理以及随机载荷过程的描述方法，突出随机载荷作用次数与失效相关性的影响，分别在以载荷作用次数和时间为寿命度量指标框架下，建立能够全面体现"载荷、强度、强度退化规律、寿命指标(载荷作用次数和时间)"等参数的零部件和系统时变可靠性模型与失效率计算模型，发展基于载荷-强度干涉的零部件与系统失效率计算方法。研究零部件和系统可靠度与失效率随寿命指标(载荷作用次数和时间)的变化规律，揭示"载荷不确定性、强度不确定性、强度退化规律"对可靠性与失效率的影响规律；并进行试验验证与工程实例应用研究。

本项目以机械零部件和系统为研究对象，突出可靠性的时变特征，研究了机械零部件和系统的时变可靠性建模理论与失效率计算方法。首先，结合机械产品特点，分析了现有机械可靠性理论与方法的不足，指出了机械产品与电子产品在可靠性建模理论与失效率计算方法方面的不同。其次，从“应力和强度是决定机械零部件与系统可靠性基本要素”的认识出发，对传统的“静态”应力-强度干涉模型进行了拓展，建立了考虑失效相关性的零部件和系统可靠性模型，给出了串联系统、并联系统和k/n系统的系统（等效）强度概率分布函数，揭示了系统（等效）强度与其组成零部件强度之间的概率关系。然后，分别在以载荷作用次数（离散型变量）和时间（连续型变量）为寿命度量指标框架下，建立了能够从本质上科学体现“应力、强度及其退化规律、寿命指标”等参数的机械零部件和系统时变可靠性模型，研究了零部件和系统可靠度与失效率随寿命的变化规律。剖析了影响机械产品失效率变化的四个基本要素，提出了基于应力-强度干涉理论的失效率计算方法与模型。在此基础上，给出了基于时变可靠性的机械产品失效期划分方法与可靠寿命计算方法。最后，将时变可靠性建模理论与失效率计算方法成功应用于车用涡轮增压器典型零部件的可靠性分析与评价，建立了能够体现“结构特征、失效模式、寿命指标”等参数影响的增压器涡轮可靠度与失效率计算模型，给出了增压器涡轮的可靠寿命确定方法，在设计阶段实现了增压器涡轮可靠性指标的定量化设计与评价。研究结果表明，所建立的时变可靠性建模理论与方法能够结合零部件或系统的结构设计参数与工作剖面，利用“应力、强度”等参数计算得到零部件或系统的可靠度、失效率等可靠性指标，并能够根据给定的可靠性指标要求，合理地划分产品的失效期和科学地确定产品的可靠寿命。基于该项目的研究成果，出版了专著《机械时变可靠性理论与方法》，发表了学术论文11篇，申请受理国家发明专利4项；项目的应用成果“车用涡轮增压器典型零部件可靠性技术”通过了国防科学技术成果鉴定。