CN102722620B - 一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法。方法步骤：通过产品的功能和结构分析，建立产品的子功能和子部件库；基于能量的传递、转换和分支关系，对每个子功能，建立多子部件串并联结构的可靠性框图；解析可靠性框图，建立子功能的可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小的两目标优化模型，并使用多目标进化算法求解；产品子部件的可靠性取各子功能运算获得的可靠性均值，将可靠性相似的子部件聚类成为模块，获得产品可靠性分配和模块规划方案。针对产品设计时由于子部件的可靠性不均衡而导致产品整体可靠性降低的问题，基于能量流可靠性框图建模，提出了实现部件可靠性均衡和优化的产品可靠性分配方法，获得产品的整体可靠性分配方案。
Description
技术领域
本发明涉及产品可靠性分配方法，尤其是涉及一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法。
背景技术
由于应用于高技术工业过程的机电产品的复杂性不断提高，产品可靠性的关注度逐渐提高，所述的产品特指为机电产品。可靠性分配是在产品可靠性设计的初期阶段，根据预定义的产品可靠性指标，考虑产品的体系结构，合理分配产品各子部件的可靠性，从而满足产品的整体可靠性。子部件是实现产品功能的结构单元，多个子部件以串联或并联方式相互连接，形成产品的整体功能。在串联结构中，所有子部件都正常工作系统才能正常运转；在并联结构中，至少有一个子部件能够正常工作系统就能正常运转。在可靠性分配中，以整体可靠性作为输入数据，将整体可靠性分解到子部件可靠性，输出产品各子部件的可靠性分配方案。对企业而言，合理分配子部件的可靠性，能够降低产品开发设计成本，保证产品整体可靠性指标。可靠性分配理念得到了设计与制造企业的广泛采纳，并在航空航天、汽车、大型机械和计算机软件等方面得到了应用。
随着可靠性分配方法在产品设计领域的广泛实施和应用，产品可靠性分配对象日益大型化和复杂化，易导致产品可靠性均衡度不足。可靠性过低部件造成产品寿命降低，而可靠性过高部件则造成产品成本浪费。寿命均衡，即产品的多子部件可靠性均衡，从而延长产品整体寿命，是产品可靠性分配需要实现的目标。为了实现寿命均衡的产品可靠性设计，需要进行产品可靠性的定量优化分配。
子功能是产品整体功能的细分，如果产品有多于一个的功能，则每个功能定义为子功能。能量流是产品内部多子部件之间发生的能量传递、转换和分支等流动关系，其中，能量包括机械能、液压能、热力能和电能等。能量流是机电产品内部的主要流动形式，其有效流转保证了产品功能的可靠执行。可靠性框图，是一种表达产品功能的方法，表示了实现一个特定的子功能，多子部件之间的逻辑连接。如果产品有多于一个的子功能，每个子功能应该被独立的考虑，即每个子功能建立一个独立的可靠性框图。
针对实现寿命均衡的产品可靠性分配问题，把产品分解为多子功能和子部件，建立子功能的能量流可靠性框图，推导出子功能可靠性函数，建立子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小的两目标优化模型并求解，获得子部件的可靠性分配值。模块定义为多个可靠性近似子部件的集合，在可靠性分配完成后，把可靠性相似的子部件聚类成为模块，使模块内部的可靠性相近，模块之间的可靠性差异，从而提高模块的可互换性，保证产品的可用性和可维修性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，解决产品可靠性框图建模复杂度高、产品可靠性分配缺乏考虑产品寿命均衡度和传统模块规划方法造成模块内部组件可靠性差异大的问题。
本发明的目的是这样实现的：将产品分解为多个子功能和子部件，依据能量流方法，构建每个子功能的可靠性框图，建立子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小两目标优化模型并求解，获得产品子部件的可靠性分配值，完成产品的子部件可靠性均衡分配和产品可靠性模块规划；
所采用的技术方案步骤如下：
1）依据产品设计方案，进行产品功能和结构分解，分别制成子功能列表和子部件列表；当产品有多于一个的功能，则每个功能定义为一个子功能，所述的子功能是产品外部表现出的功能特征；所述的子部件是相互之间发生能量流转关系，相互组合实现产品子功能的部件；子功能和子部件的规划为后续的子功能可靠性框图建模提供数据基础；
2）对每个子功能，使用能量流转关系，即多子部件之间的能量传递、转换和分支关系，基于多子部件的串联和并联结构，建立子功能可靠性框图；所述的能量流方法是把子部件间能量流分为传递、转换和分支三种形式；所述的传递是输入和输出的能量形式不发生变化；所述的转换是输入和输出的能量形式发生变化；所述的分支是能量形式不变，将一个输入分解为多个输出；多子部件串联和并联结构，是一种框图结构，定义为子功能可靠性框图，可靠性框图表达了子功能执行时的内部能量流转关系；
3）依据上述子功能可靠性框图，建立子功能可靠性表达式和串联子系统可靠性方差表达式，分别以子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小，为两个优化目标，以子部件可靠性范围为约束条件，建立两目标优化模型；所述的串联子系统是可靠性框图主路径上的串联单元，任一串联子系统发生故障，则导致子功能失效，串联子系统可能是单个子部件，或是多个子部件的串并联结构；
4）使用多目标进化算法，即非支配排序遗传算法NSGA-II，对两目标优化模型求解，获得该子功能对应的子部件可靠性值；在多目标进化运算中，以各子部件的可靠性值为设计变量，以子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小为两优化目标，通过迭代运算获得优势个体前沿，使用集合理论选优方法选择一个解，作为该子功能的可靠性分配方案；
5）重复步骤2）~ 4），对每个子功能进行可靠性分配，获得各子部件的所有可靠性分配值；
6）若一个子部件存在多个可靠性值，则该子部件的可靠性取均值，若子部件仅存在一个可靠性值，则设定为该子部件的可靠性分配值；
7）使用层次聚类树图法，将可靠性值相似的子部件聚类成为一个模块，实现产品可靠性模块规划；所述的层次聚类树图法，是把可靠性依据其相互距离组成层次结构，表达为一种树状图；树状图的高度表达了两聚类元素之间的距离；依据生成产品的多子部件可靠性聚类树图，给出一个聚类阈值，则获得产品可靠性模块规划方案。
所述的产品功能和结构分解，形成产品的子功能和子部件列表；所述的子功能是产品整体功能中的分项功能，每一个子功能相互独立，协同完成产品的整体功能；子功能的划分层次是产品分解出的第一层功能单元，每个子功能可用独立的可靠性框图实现；所述的子部件是实现产品功能的组件单元，多个子部件以串联或并联方式相互连接，形成产品的子功能；子部件是产品的组件单元，其分解层次是能够通过串联和并联关系实现产品子功能的组件单元；子功能是由多个子部件实现的。
所述的建立子功能可靠性框图，基于实现子功能所发生的能量流转关系，采用多个子部件的串联和并联结构，形成可靠性框图；可靠性框图是一种有向图，表示了子部件之间能量的传递、转换和分支关系，其正常流转，即不发生头和尾能量流的中断，是产品子功能实现的前提条件；可靠性框图中的能量流不区分具体的能量形式，如机械能、液压能、热力能和电能等，统一作为一种能量流动，用箭头表示。
所述的建立两目标优化模型，是以子功能可靠性最大化和串联子系统可靠性方差最小化为两优化目标；根据可靠性框图的串联和并联关系，将可靠性框图分解成多个串联或并联子部件，形成子功能的可靠性函数；将可靠性框图在最大层次上，分解为多个串联子系统，计算多串联子系统的方差，形成可靠性分配的均衡度函数；以各子部件的可靠性取值范围为设计变量范围，以子功能的可靠性值为设计约束，形成两目标优化模型。
所述的两目标优化模型求解，是使用非支配排序遗传算法NSGA-II，设定种群规模、迭代次数和可靠性两目标优化模型等参数，通过进化运算，获得多个可靠性值和可靠性均衡度权衡分配方案；所述的集合理论选优方法，是在优势个体集中选择一个权衡最优解，通过成员函数μ i ，计算出每一个优势解的支配函数μ k ，选择具有最大μ k 值的解作为权衡最优解。
所述的产品可靠性定量分配，是所有子功能的可靠性分配完成后，各子部件的可靠性均值。因为有些子部件在产品的多个子功能中发生作用，子部件获得多个可靠性分配值，取均值能够减小子功能的可靠性波动。
所述的产品可靠性模块规划，是依据各子部件的可靠性最终分配值，使用层次聚类树图法，将可靠性近似的子部件聚类成为一个模块，使模块内部组件的可靠性相接近，模块之间的可靠性相差异，提高模块的可互换性和产品的可维修性；所述的层次聚类树图法，把聚类元素表达为一种树状结构，两元素之间树图的高度表达了两元素的距离；基于子部件聚类树图，给出模块划分树图高度值，则形成产品可靠性模块规划方案。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明采用能量流方法建立子功能可靠性框图。依据能量在子部件之间的传递、转换和分支关系，建立多个子部件的串联和并联结构以实现对应的子功能，从而，以较低复杂度构建了子功能的可靠性框图，用于后续子功能的可靠性分配运算，解决了产品可靠性框图建模复杂度高的问题。
2. 本发明提出的寿命均衡产品可靠性定量分配，依据子功能可靠性框图，采用子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小，建立两目标优化模型。串联子系统可靠性方差最小化，体现了寿命均衡需求，解决了产品可靠性分配缺乏考虑产品寿命均衡度的问题。
3. 本发明所提出的产品可靠性模块规划方法，依据各子部件的可靠性分配值，采用简单的层次聚类树图法，计算出子部件可靠性的层次聚类方案，把可靠性相似的子部件聚类成为一个模块，解决了传统模块规划方法造成模块内部组件可靠性差异大的问题。
本发明的优点在于：1. 采用能量流方法建立功能可靠性框图，提高了可靠性框图建模的准确性与效率；2. 引入串联子系统可靠性方差最小优化目标，实现产品子部件的寿命均衡可靠性分配，降低了可靠性的浪费，节省设计开销；3. 优化了模块内部组件的可靠性均衡度，有利于提高产品的可维修性和可用性、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实现寿命均衡的产品可靠性分配方法的实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明，图1为本发明相应的寿命均衡产品可靠性分配方法的实现流程。
实施例1：寿命均衡产品可靠性分配方法的实现以数据库平台为支持工具，建立了包括产品子功能和子部件库、可靠性框图解析库、数值运算方法库和可靠性分配值和模块库，其主要功能有：
1）产品子功能和子部件库存储产品体系结构分析所获得的多个相互独立的子功能和多个相互连接的子部件，为寿命均衡产品可靠性分配方法，提供了产品分解获得的子功能和子部件基础数据。
2）可靠性框图解析库执行可靠性框图生成和可靠性分配函数生成的功能。从子功能库中弹出一个元素，使用能量流，建立其子部件串并联结构的可靠性框图，实现能量流产品子功能可靠性框图生成；解析库调用并联和串联结构可靠性计算规则，生成子功能可靠性函数和串联子系统可靠性方差函数，形成附图所示的两目标优化数学模型。
3）数值运算方法库存储多目标进化算法和层次聚类树图生成算法。多目标进化算法针对两目标优化模型，实现可靠性分配数学模型多目标进化求解，使用优势个体前沿集合理论选优方法，获得各子部件的可靠性分配值；进而，依据可靠性对多子部件进行聚类，将可靠性相似的组件聚类成为一个模块，实现产品可靠性模块化聚类设计。
4）可靠性分配值和模块库存储产品的可靠性分配方案和模块规划方案，进行可靠性分配方案输出，供后续产品结构可靠性设计时调用，以产品可靠性分配结果，支持产品的可靠性设计和评价。
将产品分解为多个子功能和子部件，依据能量流方法，构建每个子功能的可靠性框图，建立子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小两目标优化模型并求解，获得产品子部件的可靠性分配值，完成产品的子部件可靠性均衡分配和产品可靠性模块规划。
寿命均衡产品可靠性分配方法实现的步骤有：
1）依据产品的概念设计方案或产品的自底向上分解方案，对产品进行功能分析，获得多个相互独立的子功能；对产品进行结构分析，获得多个相互关联的子部件。可使用多个子部件的组合，实现相应的子功能。分别形成子功能和子部件列表，存入产品的子功能和子部件数据库。
2）在数据库中弹出一个子功能和相关子部件，使用能量流方法，基于能量的传递、转换和分支路径，建立多子部件的串并联结构，实现该子功能。该串并联结构就是该子功能的可靠性框图，能够以各子部件的可靠性为设计变量，计算子功能的可靠性和串联子系统的可靠性方差。
3）将可靠性框图存入可靠性框图解析库，调用解析库中的串并联结构解析算法，生成子功能的可靠性函数和子功能的可靠性方差函数，最大化子功能可靠性和最小化可靠性方差。配合子部件的可靠性取值范围和子功能可靠性约束，形成两目标优化数学模型。
4）在数值运算方法库中调用多目标进化算法，求解该两目标优化模型，使用浮点数设计变量染色体编码规则，采用浮点数交叉和变异算子，适合可靠性值为[0, 1]区间内连续值的情况，获得非支配优势个体前沿，并使用集合理论方法选择一个最优解，作为该子功能的可靠性分配方案。
5）重复步骤2）~ 4），对每个子功能进行可靠性分配，获得各子部件的所有可靠性分配值。
6）若一个子部件存在多个可靠性值，则该子部件的可靠性取均值，若子部件仅存在一个可靠性值，则设定为该子部件的可靠性分配值。
7）对多个子部件的可靠性值，采用层次聚类树图法，建立子部件的可靠性聚类树图，将可靠性相似的子部件聚类成为一个模块，同时，考虑子部件之间的位置和连接关系。将子部件可靠性分配值和模块规划策略存入可靠性分配值和模块库，得到产品整体可靠性分配方案和模块规划方案，至此完成产品的寿命均衡可靠性分配。
所述的产品功能和结构分解，形成产品的子功能和子部件列表；所述的子功能是产品整体功能中的分项功能，每一个子功能相互独立，协同完成产品的整体功能；子功能的划分层次是产品分解出的第一层功能单元，每个子功能可用独立的可靠性框图实现；所述的子部件是实现产品功能的组件单元，多个子部件以串联或并联方式相互连接，形成产品的子功能；子部件是产品的组件单元，其分解层次是能够通过串联和并联关系实现产品子功能的组件单元；子功能是由多个子部件实现的。
所述的建立子功能可靠性框图，基于实现子功能所发生的能量流转关系，采用多个子部件的串联和并联结构，形成可靠性框图；可靠性框图是一种有向图，表示了子部件之间能量的传递、转换和分支关系，其正常流转，即不发生头和尾能量流的中断，是产品子功能实现的前提条件；可靠性框图中的能量流不区分具体的能量形式，如机械能、液压能、热力能和电能等，统一作为一种能量流动，用箭头表示。
所述的建立两目标优化模型，是以子功能可靠性最大化和串联子系统可靠性方差最小化为两优化目标；根据可靠性框图的串联和并联关系，将可靠性框图分解成多个串联或并联子部件，形成子功能的可靠性函数；将可靠性框图在最大层次上，分解为多个串联子系统，计算多串联子系统的方差，形成可靠性分配的均衡度函数；以各子部件的可靠性取值范围为设计变量范围，以子功能的可靠性值为设计约束，形成两目标优化模型。
所述的两目标优化模型求解，是使用非支配排序遗传算法NSGA-II，设定种群规模、迭代次数和可靠性两目标优化模型等参数，通过进化运算，获得多个可靠性值和可靠性均衡度权衡分配方案；所述的集合理论选优方法，是在优势个体集中选择一个权衡最优解，通过成员函数μ i ，计算出每一个优势解的支配函数μ k ，选择具有最大μ k 值的解作为权衡最优解。
所述的产品可靠性定量分配，是所有子功能的可靠性分配完成后，各子部件的可靠性均值。因为有些子部件在产品的多个子功能中发生作用，子部件获得多个可靠性分配值，取均值能够减小子功能的可靠性波动。
所述的产品可靠性模块规划，是依据各子部件的可靠性最终分配值，使用层次聚类树图法，将可靠性近似的子部件聚类成为一个模块，使模块内部组件的可靠性相接近，模块之间的可靠性相差异，提高模块的可互换性和产品的可维修性；所述的层次聚类树图法，把聚类元素表达为一种树状结构，两元素之间树图的高度表达了两元素的距离；基于子部件聚类树图，给出模块划分树图高度值，则形成产品可靠性模块规划方案。
本发明相应的能量流产品子功能可靠性框图生成：
可靠性框图表达了实现特定功能的多子部件之间的逻辑连接，正确、清晰和全面的可靠性框图是实现产品可靠性正确分配的前提条件。可靠性框图总体分为串联、并联和串并联混合结构形式，依据子部件之间的能量流，能量的传递和转换表现为子部件串联，能量的分支表现为子部件并联，从能量产生到能量输出的子部件可靠性框图，实现了产品的子功能。依据该可靠性框图，可计算子功能的可靠性和各串联子系统的可靠性方差，以实现整体可靠性优化和可靠性均衡分配。
本发明相应的可靠性分配数学模型多目标进化求解：
在附图中，依据两目标可靠性分配优化模型，采用浮点数染色体编码方式和浮点数交叉、变异算子，设置种群数、遗传进化参数和迭代次数，使用非支配排序遗传算法求解，获得子功能可靠性最大和可靠性方差最小化目标的优势个体前沿。在进化运算中，多目标进化算法的运算参数需要使用运算调试法，人工选择最优的运算参数。
本发明相应的优势个体前沿集合理论选优方法：
由于人工选优包含多种不确定的主观因素，采用基于集合理论的优势个体集选优方法。定义成员函数表示一个解的第i个目标值所占的比重，对于优势个体集中的每一个非支配解，定义支配函数，支配函数值越大，表示该解的综合性能越好。选择具有最大支配函数值的解作为优势个体集的最优解，将优势个体集按支配函数值进行降序排列，得到可行解选择的优先序列。
本发明相应的产品可靠性模块化聚类设计：
层次聚类树图法，是采用聚类树图的形式，将组件依据相似度进行聚类，把可靠性相似的部件聚类成为模块。该聚类从模块内部元素可靠性相似的角度，提供了产品模块规划的初步方案，具体的模块结构设计还要考虑组件的连接关系和能量流转关系。层次聚类树图法模块规划是一种柔性的模块划分方法，提供了子部件可靠性模块划分的可能方案。
本发明相应的可靠性分配方案输出：
寿命均衡产品可靠性分配时，以各子部件的可靠性均值作为子部件的可靠性最终分配值，存入可靠性分配值库，将聚类树图模块规划方案存入可靠性模块库，完成后以产品整体可靠性分配方案的形式统一输出，形成寿命均衡可靠性分配结果和部件可靠性模块规划结果。
实施例2：以大型掩护式液压支架对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
大型液压支架是综采成套装备中的重要支护设备，它支撑顶板、维持工作面安全作业空间，并推移刮板输送机保证综采工艺的连续运行。以两柱掩护式液压支架为例，通过图1所述的产品功能和结构分解，制成掩护式液压支架的子功能列表和子部件列表，用于能量流产品子功能可靠性框图生成。表1表示子功能列表；表2表示子部件列表。
表1 掩护式液压支架的子功能列表
| 代号 | 名称 | 子功能描述 |
| F1 | 升降 | 支架升柱接顶承载和降柱卸载 |
| F2 | 推移 | 支架推输送机至煤壁和支架自前移 |
| F3 | 侧护 | 侧护板接触防止顶部矸石冒落 |
| F4 | 护邦 | 护邦板接触煤壁维持安全作业空间 |
| F5 | 平衡 | 维持支架在不均衡外部压力下的平衡 |
表2 掩护式液压支架的子部件列表
| 代号 | 可靠性变量 | 子部件名称 | 代号 | 可靠性变量 | 子部件名称 |
| C1 | R 1 | 供液管路 | C11 | R 11 | 顶梁 |
| C2 | R 2 | 截止阀 | C12 | R 12 | 推移千斤顶 |
| C3 | R 3 | 过滤器 | C13 | R 13 | 推杆 |
| C4 | R 4 | 升降控制阀 | C14 | R 14 | 侧护千斤顶 |
| C5 | R 5 | 推移控制阀 | C15 | R 15 | 侧护板 |
| C6 | R 6 | 侧护控制阀 | C16 | R 16 | 护邦千斤顶 |
| C7 | R 7 | 护邦控制阀 | C17 | R 17 | 护邦板 |
| C8 | R 8 | 平衡控制阀 | C18 | R 18 | 平衡千斤顶 |
| C9 | R 9 | 液压立柱 | C19 | R 19 | 前连杆 |
| C10 | R 10 | 铰接球头 | C20 | R 20 | 掩护梁 |
采用所述的能量流产品子功能可靠性框图生成方法，以升降子功能(F1)为例，阐述其可靠性框图建模过程。依据能量的传递、分支和转换原理，液压能通过供液管路(C1)传递至截止阀(C2)，经过滤器(C3) 传递至升降控制阀(C4)；液压能形成两路分支，在两路分支中，液压立柱(C9)将液压能转换为机械能，通过铰接球头(C10)，传递至顶梁(C11)，形成升降架子功能。则可靠性框图可描述为：
C1串联C2；C2串联C3；C3串联C4；C9串联C10，且两组C9、C10并联；串联C11。
采用所述的建立两目标优化模型方法，形成寿命均衡升降子功能(F1)的可靠性分配数学模型：
| (1) |
式中，R s为子功能可靠性，界于[0.7, 0.8]之间；D s为可靠性框图中串联子系统的可靠性方差；R i 为子部件i的可靠性取值范围，界于区间[0.50, 0.95]。
采用所述的可靠性分配数学模型多目标进化求解，非支配排序遗传算法中的关键参数设置包括：迭代次数gen = 300；种群规模pop = 100；交叉概率p c = 0.9；变异概率p m = 0.1；交叉和变异分布指数η c = η m = 20。获得升降子功能(F1)的可靠性分配方案优势个体前沿。采用所述的优势个体前沿集合理论选优方法，通过计算每个解的成员函数和支配函数值，选择具有最大支配函数值的解作为综合最优解，形成升降子功能(F1)的可靠性分配方案。
对子功能F2 – F5，重复上述步骤，并采用所述的子部件可靠性取均值，获得支架的子部件可靠性分配结果如表3所示。其中，串联关系部件的可靠性趋向于取最大值，如C1、C2、C3等，以优化系统可靠性；而并联关系子部件的可靠性不取最大值，如C9、C10和C14等，以提高串并联关系子功能的可靠性均衡度，并降低产品成本。
依据表3的子部件可靠性，获得支架子功能的可靠性和串联子系统可靠性方差如表4所示。可以看出，串联可靠性框图(F2)的子系统可靠性均衡度最好；对于串并联系统(F1, F3, F4, F5)，所述方法获得了较小的子系统可靠性方差，能够保证产品的寿命均衡性。
表3 掩护式液压支架的子部件可靠性分配结果
| 可靠性变量 | 可靠性分配值 | 可靠性变量 | 可靠性分配值 |
| R 1 | 0.9500 | R 11 | 0.9500 |
| R 2 | 0.9500 | R 12 | 0.9500 |
| R 3 | 0.9500 | R 13 | 0.9500 |
| R 4 | 0.9500 | R 14 | 0.5531 |
| R 5 | 0.9500 | R 15 | 0.9500 |
| R 6 | 0.9500 | R 16 | 0.8380 |
| R 7 | 0.9500 | R 17 | 0.9500 |
| R 8 | 0.9500 | R 18 | 0.8454 |
| R 9 | 0.9295 | R 19 | 0.9500 |
| R 10 | 0.9052 | R 20 | 0.9500 |
表4 子功能的可靠性和串联子系统可靠性方差
采用所述的产品可靠性模块化聚类设计，进行聚类树图模块规划，获得液压支架模块如表5所示。其中，供液管路C1、截止阀C2和过滤器C3组成供液模块，模块内部组件可靠性方差为0；液压立柱C9和推移千斤顶C12构成立柱模块，模块可靠性方差为0.0145，为较小值；C11、C13等构成控制阀模块，可靠性方差为0，因此，可采用标准控制阀实现多控制功能，提高支架的内部通用性。进而，采用所示的可靠性分配方案输出，作为数据源，支持后续的液压支架模块化详细设计。
表5 基于可靠性的支架模块规划方案
| 支架模块 | 可靠性方差 |
| {C1, C2, C3} | 0 |
| {C9, C12} | 0.0145 |
| {C16, C18} | 0.0052 |
| {C11, C13, C15, C17, C19, C20} | 0 |
| {C4, C5, C6, C7, C8} | 0 |
| {C10} | - |
| {C14} | - |
Claims (6)
1.一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：将机电产品分解为多个子功能和子部件，依据能量流方法，构建每个子功能的可靠性框图，建立子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小两目标优化模型并求解，获得产品子部件的可靠性分配值，完成产品的子部件可靠性均衡分配和产品可靠性模块规划；
所采用的技术方案步骤如下：
1）依据产品设计方案，进行产品功能和结构分解，分别制成子功能列表和子部件列表；当产品有多于一个的功能，则每个功能定义为一个子功能，所述的子功能是产品外部表现出的功能特征；所述的子部件是相互之间发生能量流转关系，相互组合实现产品子功能的部件；子功能和子部件的规划为后续的子功能可靠性框图建模提供数据基础；
2）对每个子功能，使用能量流转关系，即多子部件之间的能量传递、转换和分支关系，基于多子部件的串联和并联结构，建立子功能可靠性框图；所述的能量流方法是把子部件间能量流分为传递、转换和分支三种形式；所述的传递是输入和输出的能量形式不发生变化；所述的转换是输入和输出的能量形式发生变化；所述的分支是能量形式不变，将一个输入分解为多个输出；多子部件串联和并联结构，是一种框图结构，定义为子功能可靠性框图，可靠性框图表达了子功能执行时的内部能量流转关系；
3）依据上述子功能可靠性框图，建立子功能可靠性表达式和串联子系统可靠性方差表达式，分别以子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小，为两个优化目标，以子部件可靠性范围为约束条件，建立两目标优化模型；所述的串联子系统是可靠性框图主路径上的串联单元，任一串联子系统发生故障，则导致子功能失效，串联子系统是单个子部件，或是多个子部件的串并联结构；
4）使用多目标进化算法，即非支配排序遗传算法NSGA-II，对两目标优化模型求解，获得该子功能对应的子部件可靠性值；在多目标进化运算中，以各子部件的可靠性值为设计变量，以子功能可靠性最大和串联子系统可靠性方差最小为两优化目标，通过迭代运算获得优势个体前沿，使用集合理论选优方法选择一个解，作为该子功能的可靠性分配方案；
5）重复步骤2）~ 4），对每个子功能进行可靠性分配，获得各子部件的所有可靠性分配值；
6）若一个子部件存在多个可靠性值，则该子部件的可靠性取均值，若子部件仅存在一个可靠性值，则设定为该子部件的可靠性分配值；
7）使用层次聚类树图法，将可靠性值相似的子部件聚类成为一个模块，实现产品可靠性模块规划；所述的层次聚类树图法，是把可靠性依据其相互距离组成层次结构，表达为一种树状图；两元素之间树状图的高度表达了两元素的距离；基于子部件聚类树图，给出模块划分树图高度值，则形成产品可靠性模块规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：所述的产品功能和结构分解，形成产品的子功能和子部件列表；所述的子功能是产品整体功能中的分项功能，每一个子功能相互独立，协同完成产品的整体功能；子功能的划分层次是产品分解出的第一层功能单元，每个子功能可用独立的可靠性框图实现；所述的子部件是实现产品功能的组件单元，多个子部件以串联或并联方式相互连接，形成产品的子功能；子部件是产品的组件单元，其分解层次是能够通过串联和并联关系实现产品子功能的组件单元；子功能是由多个子部件实现的。
3.根据权利要求1所述的一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：所述的建立子功能可靠性框图，基于实现子功能所发生的能量流转关系，采用多个子部件的串联和并联结构，形成可靠性框图；可靠性框图是一种有向图，表示了子部件之间能量的传递、转换和分支关系，其正常流转，即不发生头和尾能量流的中断，是产品子功能实现的前提条件；可靠性框图中的能量流不区分具体的能量形式，具体能量形式包括机械能、液压能、热力能和电能。
4.根据权利要求1所述的一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：所述的建立两目标优化模型，是以子功能可靠性最大化和串联子系统可靠性方差最小化为两优化目标；根据可靠性框图的串联和并联关系，将可靠性框图分解成多个串联或并联子系统，形成子功能的可靠性函数；将可靠性框图在最大层次上，分解为多个串联子系统，计算多串联子系统的可靠性方差，形成可靠性分配的均衡度函数；以各子部件的可靠性取值范围为设计变量范围，以子功能的可靠性值为设计约束，形成两目标优化模型。
5.根据权利要求1所述的一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：所述的两目标优化模型求解，是使用非支配排序遗传算法NSGA-II，设定种群规模、迭代次数和可靠性两目标优化模型参数，通过进化运算，获得多个可靠性值和可靠性均衡度权衡分配方案；所述的集合理论选优方法，是在优势个体集中选择一个权衡最优解，通过成员函数μ i ，计算出每一个优势解的支配函数μ k ，选择具有最大μ k 值的解作为权衡最优解。
6.根据权利要求1所述的一种实现寿命均衡的产品可靠性分配方法，其特征是：所述的产品可靠性模块规划，是依据各子部件的可靠性最终分配值，使用层次聚类树图法，将可靠性近似的子部件聚类成为一个模块，使模块内部组件的可靠性相接近，模块之间的可靠性相差异，提高模块的可互换性和产品的可维修性；所述的层次聚类树图法，把聚类元素表达为一种树状结构，两元素之间树图的高度表达了两元素的距离；基于子部件聚类树图，给出模块划分树图高度值，则形成产品可靠性模块规划方案。
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