失效物理模式下融合多源信息的空间滚动轴承服役可靠性研究

Space rolling bearing is the activity parts of the spacecraft. It requires that the rolling bearing can stable and reliable work in a few years or even decades in a task cycle. In view of the traditional accelerated life test, the performance parameters extrapolation and statistical inference methods with great life information can not effectively solve the service reliability evaluation of the space rolling bearing, a novel service reliability evaluation method for space rolling bearing based on physics-of-failure will be proposed in this project. The research stratagem of this proposed method is as follows. A novel idea, which integrates the reliability test design method, multi-scale dynamic behavior feature extraction, service reliability modeling, service reliability evaluation will be proposed to form the new principle and the new methods for space rolling bearing reliability research. A novel multi-scale weak dynamic behavior feature extraction method will be proposed, which can extract and enhance the dynamic behavior features under the strong interference. A novel modeling method based on physics-of-failure data under complex stress condition will be proposed. It breaks out the traditional physics-of-failure framework which only faces single stress condition, and achieves physics-of-failure model under complex stress condition with multi-source excitation and much related factors. A novel reliability evaluation method, which fusion physics-of-failure data and related reliability information will be proposed. It can realize the service reliability accurate quantitative evaluation for space rolling bearing. This proposed method will be of great significance that it can guide the design, manufacture and application for space rolling bearing, establish the evaluation criteria for service life and improve the orbit life and the using performance for the follow-up spacecrafts.

空间滚动轴承是空间飞行器的关键活动零部件，要求在几年甚至几十年的任务周期内稳定可靠运行。针对传统的加速寿命试验、性能参数外推以及大量寿命数据的统计推断等方法不能有效解决空间滚动轴承的服役可靠性评估问题，提出基于失效物理的空间滚动轴承服役可靠性评估新方法。研究思路为：提出集可靠性试验设计、多尺度动态行为特征提取、可靠性建模、可靠性评估于一体的理论体系；提出多尺度微弱动态行为特征提取新方法，实现强干扰下的动态行为特征的提取与增强；提出复杂应力条件下基于失效物理数据的可靠性建模新方法，突破传统只面向单一应力工况的失效物理框架，实现多源激励多因素相关的复杂应力条件下的可靠性建模；提出融合失效物理数据和可靠性相关信息的可靠性评估新方法，实现空间滚动轴承服役可靠性的准确定量评估。该方法对于指导空间滚动轴承的设计、制造及应用，建立可靠性的评估准则，提高后续空间飞行器的在轨寿命和使用性能都具有重要意义。

我国在航天领域针对空间滚动轴承在空间环境下的空间环境效应和服役可靠性评估研究还不深入,还没有制定空间滚动轴承服役可靠性评估的专门标准，设计和选用空间滚动轴承主要依赖经验或借鉴国外标准，这已成为我国发展高可靠长寿命空间滚动轴承的瓶颈。本项目以空间滚动轴承为研究对象，在失效物理框架内研究空间滚动轴承微弱动态行为的特征提取、复杂应力条件下的可靠性建模以及基于多源异构信息融合的服役可靠性评估，主要研究内容及研究结论如下：. ①　在空间滚动轴承微弱信息的特征提取方面，研究了空间滚动轴承模拟空间环境时动态行为信息的信噪空间分布特性，噪声与微弱动态行为特征的权值矩阵构造以及动态行为信息的分形特征提取，设计了改进的迭代滤波、信息熵等方法。结果表明，改进的迭代滤波能够快速有效的提取滚动轴承服役状态的微弱特征，信息熵能方便的实现滚动轴承服役状态的定量描述。. ②　在空间滚动轴承服役可靠性建模方面，分析了复杂应力对性能退化过程的影响规律，研究了复杂应力下的应力强度模型、累积损伤模型的构建方法，构建了混合核相关向量机、小波核支持向量机等性能退化趋势预测模型。结果表明，混合核相关向量机、小波核支持向量机能够依据滚动轴承运行状态性能指标参数的特性，自适应的调整核函数参数，实现多特征空间的有效融合。. ③　在空间滚动轴承服役可靠性评估方面，研究了可靠性数据的信息挖掘，融合失效物理数据的服役可靠性评估以及服役可靠性增长过程，设计了基于支持向量数据描述以形成支持证据空间的方法、基于小波核Logistic的服役可靠性评估方法。结果表明，支持证据空间方法能够对无失效样本信息的服役可靠性进行准确评估，小波核Logistic模型对小样本条件下服役可靠性评估有较好的应用。. 本项目为快速评定空间滚动轴承的空间环境可靠性提供了理论依据，对丰富和发展其它空间活动零部件服役可靠性评估理论和技术，提升我国空间活动零部件适应空间飞行器高可靠、长寿命的发展要求具有一定的科学意义。