CN107491576B - 基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法 - Google Patents

基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，在对导弹部件进行可靠性分析时，主要利用该部件的性能指标进行分析，如果某部件有多个性能指标，需要对指标进行分类、选取，确定出切实能够反映部件性能变化状况的指标，然后计算出导弹部件在某次定期测试时的失效概率，利用配分布曲线法建立部件寿命分布的参数估计模型，进而对其可靠特征量进行估计，与现有技术相比，该方法简单实用，便于理解，具有更好的分析效果，分析结果的可信性更高。

Description

基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法
技术领域
本发明属于可靠性工程领域，具体地讲，本发明提供了一种针对无失效数据情形下，基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法。
背景技术
导弹属于“高精尖”大型武器装备，具有结构复杂、部件多、涵盖领域广等特点。由于其特殊的战略地位，在其列装服役期间，通常处于贮存状态。为了能及时掌握导弹性能状况，需要定期对其进行性能测试。分析某型导弹多年性能测试数据，发现部分部件具有如下特点：一是无失效，即该部分部件历年测试的性能指标值均在规定范围内；二是性能逐步退化，即部件的性能指标测试值逐步向指标规定范围边缘靠拢。由于此类部件在导弹武器系统中占有较大比例，且属于导弹重要组成部分，因此，如何对此类部件可靠性进行分析，是解决导弹可靠性分析问题中的关键。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，所要解决的技术问题就是针对导弹中具有性能退化趋势但仍旧测试合格的部件提出一种可靠性分析方法，并建立相关分析模型。
本发明分析方法的基本思路是：在对导弹部件进行可靠性分析时，主要利用该部件的性能指标进行分析，如果某部件有多个性能指标，需要对指标进行分类、选取，确定出切实能够反映部件性能变化状况的指标，然后计算出导弹部件在某次定期测试时的失效概率，利用配分布曲线法建立部件寿命分布的参数估计模型，进而对其可靠特征量进行估计。
本发明通过如下技术方案来解决：
一种基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，包括下列步骤：
（1）确定所要分析的导弹部件，对导弹部件性能指标进行分类、选择；
（2）收集该导弹部件的相关性能指标测试数据；
（3）利用测试数据计算导弹部件的失效概率；
（4）确定导弹部件寿命分布类型，然后利用配分布曲线法以及加权最小二乘法实现参数估计；
（5）根据上述估计参数给出导弹部件可靠特征量估计公式。
在上述的步骤（1）中，如果该导弹部件由多个子部件组成，则需要分析该导弹部件结构特点和功能划分，将部件进行分解为多个具有串联关系的子部件，并确定各子部件对应的指标集，然后针对每个子部件，从其指标集中按照一定原则选择用于可靠性分析的性能指标，选择原则为：性能退化最为显著的指标。
上述步骤（3）包括如下算法：
假设在
Figure 351225DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 44374DEST_PATH_IMAGE002
时，对n i 件某一导弹部件的不同测试时刻的某性能指标进行测试，则此n i 件导弹部件的该性能指标视为来自同一分布的n i 个随机变量，设为
Figure 450079DEST_PATH_IMAGE003
，对应的测试值为
Figure 734430DEST_PATH_IMAGE004
，则样本均值和样本方差为
Figure 615798DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 643797DEST_PATH_IMAGE006
：第i次测试时刻，
Figure 825380DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 608528DEST_PATH_IMAGE008
：第i次测试某导弹部件数量，
Figure 508351DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 543303DEST_PATH_IMAGE009
：第i次测试时第j个随机变量，
Figure 844971DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 48288DEST_PATH_IMAGE011
：第i次测试时第j个随机变量对应的测试值，
Figure 435407DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 274050DEST_PATH_IMAGE012
：第i次测试时样本均值，
Figure 164646DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 555176DEST_PATH_IMAGE013
：第i次测试时样本方差，
Figure 164012DEST_PATH_IMAGE007
；
根据指标数值规定范围估计该指标对应子部件的失效概率，指标数值范围包括三种类型：标准区间型、左区间型、右区间型，设某指标值为随机变量Z，该指标值上、下限分别为ZH、ZL，t i 时刻该指标对应子部件的失效概率估计值为
Figure 337504DEST_PATH_IMAGE014
，则不同情况下
Figure 817027DEST_PATH_IMAGE015
估计公式为：
标准区间型：
Figure 784983DEST_PATH_IMAGE016
左区间型：
Figure 225323DEST_PATH_IMAGE017
右区间型：
Figure 936927DEST_PATH_IMAGE018
假设某子部件可靠性的指标为m个，则
Figure 270956DEST_PATH_IMAGE019
时该子部件的失效概率估计公式为：
Figure 409814DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 993242DEST_PATH_IMAGE021
为指标l下子部件在t i 时的失效概率。
与现有技术相比，上述本发明提供的基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法在某型导弹贮存寿命分析和该型导弹全寿命管理保障研究等科研项目中得以成功运用，从实际效果来看，能达到的技术效果如下：
（1）采用该方法具有较好的分析效果。在可靠性分析领域，有关无失效数据处理已提出不少的处理方法，但针对具有明显性能退化趋势的导弹部件而言，采用现有方法能够实现可靠性分析，但效果不理想。本发明所提供的方法，在有关无失效数据处理方法的基础上，结合性能退化数据的特点，以指标值来计算失效概率，具有更好的分析效果。经过实例验证，应用该方法对某型导弹部分部件进行可靠性分析，与采用其他方法相比，具有更好的分析效果，分析结果的可信性更高。
（2）该方法简单实用，便于理解。本发明所提出的可靠性分析方法非常简单，整个分析过程清晰明了。比如，采用性能指标测试值来计算失效概率，比较合理，使人容易理解；在配分布曲线过程中，采用加权最小二乘法，也具有方便实用的特点。
（3）该方法可以程序化处理，使得计算更加便捷。利用性能指标测试值来实现导弹部件的可靠性分析，可以编制一套结合装备信息化管理系统的可靠性分析软件，将不同分布曲线下的分析模型建立相关模型库，直接调用指标测试数据库，即可更加便捷的实现导弹部件的可靠性分析。
（4）该方法实现了一类试验数据情形下的可靠性分析。本方法通过将无失效数据和性能退化数据进行结合，提出这一类试验数据情形下的可靠性分析方法，并建立了相关模型，具有较强的针对性和实用性。
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细地说明。
附图说明
图1 - 当本发明导弹部件由多个子部件组成时，该导弹部件的分解结构图。
图2 - 本发明导弹部件的三种指标数值范围区间（标准区间型、左区间型、右区间型）下的失效概率示意图。
具体实施方式
本发明基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，包括下列步骤：
1、确定所要分析的导弹部件，对导弹部件性能指标进行分类、选择。
如果该导弹部件由多个子部件组成，首先将导弹部件按照功能和结构分解为多个独立子部件，每个子部件故障为独立故障，只有所有子部件正常工作，该导弹部件才能正常工作，则该部件可视为由多个子部件串联而成；然后针对每个子部件，确定出其对应的指标集，只有指标集内所有指标测试值合格，该指标集对应的子部件才视为合格，否则视为失效。导弹部件分解结构图如图1所示。
当确定出导弹部件所有指标集后，由于本方法主要针对无失效情形下的性能退化数据，因此每个指标集中所有指标测试值均合格。若指标集中包含多个指标，此时需要在指标集中选择能够反映对应子部件性能变化的指标，选择原则为：性能退化最为显著的指标。
2、收集该导弹部件的相关性能指标测试数据。
3、利用测试数据计算导弹部件的失效概率。
步骤2和步骤3可采用下列具体步骤及算法：
假设在
Figure 836433DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 821706DEST_PATH_IMAGE002
时，对n i 件某一导弹部件的不同测试时刻的某性能指标进行测试，则此n i 件导弹部件的该性能指标可视为来自同一分布的n i 个随机变量，设为
Figure 600307DEST_PATH_IMAGE003
，对应的测试值为
Figure 671031DEST_PATH_IMAGE004
，则样本均值和样本方差为
Figure 567180DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 406960DEST_PATH_IMAGE006
：第i次测试时刻，
Figure 887620DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 648903DEST_PATH_IMAGE008
：第i次测试某导弹部件数量，
Figure 506001DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 793762DEST_PATH_IMAGE009
：第i次测试时第j个随机变量，
Figure 445324DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 490640DEST_PATH_IMAGE011
：第i次测试时第j个随机变量对应的测试值，
Figure 354691DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 903484DEST_PATH_IMAGE012
：第i次测试时样本均值，
Figure 335733DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 602767DEST_PATH_IMAGE013
：第i次测试时样本方差，
Figure 270508DEST_PATH_IMAGE007
；
同批导弹部件的某指标测试值通常符合正态分布，因此可用样本均值和样本方差作为该分布数学期望和方差的估计值。
下面根据指标数值规定范围估计该指标对应子部件的失效概率。导弹部件某性能指标值范围通常有三种类型（参考图2）：一是标准区间型，标准区间指的是具有上、下限的区间，即指标取值范围有最大、最小值要求，超出此范围，则认为失效或故障；二是左区间型，左区间指的是仅具有上限的指标取值范围，下限不做要求；三是右区间型，右区间指的是仅具有下限的指标取值范围，上限不做要求。不同情况下的失效概率分别如图2中阴影部分所示，阴影部分表示指标落入此部分的概率。设某指标值为随机变量Z，该指标值上、下限分别为ZH、ZL，t i 时刻该指标对应子部件的失效概率估计值为
Figure 673808DEST_PATH_IMAGE014
，则不同情况下
Figure 526226DEST_PATH_IMAGE015
估计公式为：
标准区间型：
Figure 280556DEST_PATH_IMAGE016
左区间型：
Figure 17567DEST_PATH_IMAGE022
右区间型：
Figure 9794DEST_PATH_IMAGE018
假设某子部件可靠性的指标为m个，则
Figure 439638DEST_PATH_IMAGE019
时该子部件的失效概率估计公式为：
Figure 258428DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 799130DEST_PATH_IMAGE021
为指标l下子部件在t i 时的失效概率。
4、确定导弹部件寿命分布类型，然后利用配分布曲线法以及加权最小二乘法实现参数估计。
首先确定出某导弹部件的某子部件寿命分布类型，然后将上述计算出的失效概率代替其累积失效分布函数，最后利用加权最小二乘法实现分布中的参数估计。例如：
假设某子部件寿命服从两参数威布尔分布，其累积失效分布函数为
Figure 911443DEST_PATH_IMAGE024
其中，η和m为两个未知参数。再设t i 时该子部件失效概率为p i ，则
Figure 246609DEST_PATH_IMAGE025
根据测试数据计算出的子部件
Figure 569006DEST_PATH_IMAGE026
代替
Figure 647821DEST_PATH_IMAGE027
，利用加权最小二乘法，取权为
Figure 145798DEST_PATH_IMAGE028
，得参数η和m估计为
Figure 120707DEST_PATH_IMAGE029
Figure 336925DEST_PATH_IMAGE030
其中
Figure 563638DEST_PATH_IMAGE031
。
5、当未知参数估计值确定后，则某导弹部件的某子部件可靠度估计公式为
Figure 916122DEST_PATH_IMAGE032
可靠寿命估计公式为
Figure 327512DEST_PATH_IMAGE033
。
针对某导弹部件，当其所有子部件可靠性确定后，则即可确定出该导弹部件的可靠性。
下面给出某导弹动力部件F的测试分析实例。
（1）导弹动力部件F性能指标历年测试数据如表1所示（对应上述实施方式中步骤1和步骤2）。其中，部件F共8件，测试次数14次。部件F无需进一步划分，直接对F利用该指标进行可靠性分析。
表1 导弹某动力部件指标测试数据
Figure 765446DEST_PATH_IMAGE034
（2）计算失效概率（对应上述实施方式中步骤3）。计算结果见表2。
表2 失效概率表
Figure 186064DEST_PATH_IMAGE035
（3）对应上述实施方式中步骤4，假设该导弹部件寿命服从威布尔分布，计算出威布尔分布中的两个未知参数估计值：
Figure 252109DEST_PATH_IMAGE036
（4）对应上述实施方式中步骤5，则该部件可靠度公式为：
Figure 99979DEST_PATH_IMAGE037
可靠寿命公式为：
Figure 494051DEST_PATH_IMAGE038
。

Claims (2)

1.一种基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，包括下列步骤：
（1）确定所要分析的导弹部件，对导弹部件性能指标进行分类、选择；
（2）收集该导弹部件的相关性能指标测试数据；
（3）利用测试数据计算导弹部件的失效概率；
（4）确定导弹部件寿命分布类型，然后利用配分布曲线法以及加权最小二乘法实现参数估计；
（5）根据上述估计参数给出导弹部件可靠特征量估计公式；
其中，所述步骤（3）包括：
假设在
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 726524DEST_PATH_IMAGE002
时，对n i 件某一导弹部件的不同测试时刻的某性能指标进行测试，则此n i 件导弹部件的该性能指标视为来自同一分布的n i 个随机变量，设为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，对应的测试值为
Figure 80145DEST_PATH_IMAGE004
，则样本均值和样本方差为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 127604DEST_PATH_IMAGE006
：第i次测试时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 857663DEST_PATH_IMAGE008
：第i次测试某导弹部件数量，
Figure 526541DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
：第i次测试时第j个随机变量，
Figure 51064DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
：第i次测试时第j个随机变量对应的测试值，
Figure 336551DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 73563DEST_PATH_IMAGE012
：第i次测试时样本均值，
Figure 878839DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
：第i次测试时样本方差，
Figure 839842DEST_PATH_IMAGE007
；
根据指标数值规定范围估计该指标对应子部件的失效概率，指标数值范围包括三种类型：标准区间型、左区间型、右区间型，设某指标值为随机变量Z，该指标值上、下限分别为ZH、ZL，t i 时刻该指标对应子部件的失效概率估计值为
Figure 81468DEST_PATH_IMAGE014
，则不同情况下
Figure DEST_PATH_IMAGE015
估计公式为：
标准区间型：
Figure 887750DEST_PATH_IMAGE016
左区间型：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
右区间型：
Figure 62379DEST_PATH_IMAGE018
假设某子部件可靠性的指标为m个，则
Figure DEST_PATH_IMAGE019
时该子部件的失效概率估计公式为：
Figure 189690DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为指标l下子部件在t i 时的失效概率。
2.根据权利要求1所述的基于性能退化数据的导弹部件可靠性分析方法，其特征是，在所述步骤（1）中，如果该导弹部件由多个子部件组成，则需要分析该导弹部件结构特点和功能划分，将部件进行分解为多个具有串联关系的子部件，并确定各子部件对应的指标集，然后针对每个子部件，从其指标集中按照一定原则选择用于可靠性分析的性能指标，选择原则为：性能退化最为显著的指标。
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