CN108038334B - 考虑突发失效阈值退化的飞机舱门锁系统可靠性建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于可靠性建模技术领域，尤其涉及一种考虑突发失效阈值随时间连续退化情形下的失效分析及可靠性建模方法，包括外界载荷冲击建模，对突发失效模式进行建模，对退化失效模式进行建模，并根据所述突发失效模式和所述退化失效模式分别建立的模型建立所述飞机舱门锁系统的可靠性模型，最后计算可靠性数据结果。本发明不仅考虑突发失效和退化失效两种相关联的失效模式，以及两种失效模式的失效机理和竞争方式，同时改进传统方法没有考虑突发失效阈值亦随时间退化的不足之处，提高了可靠性建模的准确度。

Description

考虑突发失效阈值退化的飞机舱门锁系统可靠性建模方法
技术领域
本发明属于可靠性建模技术领域，尤其涉及一种考虑突发失效阈值随时间连续退化情形下的失效分析及可靠性建模方法。
背景技术
机械系统的工作环境一般比较复杂，包括载荷复杂、失效模式复杂、失效机理复杂等多种因素，机械系统的失效形式可以概括为两类，一类是突发失效(硬失效)，通常是由于外界载荷在某一时刻超过了机械系统载荷许用阈值引起的；另一类为退化失效(软失效)，是由于机械系统组成结构或部件随着工作时间的延长而产生的性能退化，导致机械系统无法完成既定功能或性能指标。机械系统工作的过程中，这两类失效模式处于竞争关系，任一类失效模式的发生都会引起机械系统的失效。突发失效(硬失效)一般是指结构强度的破坏，其失效阈值即为强度。受到磨损、疲劳、腐蚀、老化等过程影响，机械系统组成结构或部件的强度随工作时间逐步退化，因此突发失效阈值会随着工作时间的延续而持续退化。
目前，国内针对竞争失效的研究中，王华伟针对航空发动机两类主要失效模式性能失效和突发失效，分析了两种失效模式的发生机理和相关性，建立了竞争失效的航空发动机寿命预测模型(王华伟等.基于竞争失效的航空发动机剩余寿命预测[J].机械工程学报,2014,50(6):197-205)；王浩伟利用导弹性能退化数据和突发失效时间数据，在考虑失效相关的情况下，建立了基于退化失效和突发失效竞争的导弹剩余寿命预测模型(王浩伟等.基于退化失效与突发失效竞争的导弹剩余寿命预测[J].航空学报,2016,37(4):1240-1248)；黄小凯提出一种基于多机理竞争退化的贮存可靠性分析方法(CN102789528A)；张详坡等以Copula函数为工具，建立了加速模型和相关函数模型，提出一种竞争失效相关情况下加速寿命试验统计分析方法(CN103336901A)；胡昌华等提出一种竞争失效条件下设备剩余寿命预测方法，该方法利用维纳模型描述缓变故障模式，利用泊松过程描述突变故障模式(CN103678858A)。
国外针对竞争失效的研究主要集中于不同条件下对竞争失效建模方法的改进方面。例如，Peng等人针对处于突发失效和退化失效竞争失效模式下的系统建立了可靠性分析模型，并基于此提出维护保障策略优化方案(Hao Peng.Reliability and maintenancemodeling for systems subject to multiple dependent competing failureprocesses[J].IIE Transactions,2011,43:12-22)；Rafiee等人在上述基础上引入退化过程中的退化速率会发生变化的因素，建立了新的竞争失效模型(KooshaRafiee.Reliability modeling for dependent competing failure processes withchanging degradation rate[J].IIE Transactions,2014,46:483-496)；Wang等人则利用时变Copula函数描述突发失效和退化失效之间的相关性，得到考虑竞争失效的系统可靠性分析方法(Yaping Wang.Modeling the dependent competing risks with multipledegradation processes and random shock using time-varying Copulas[J].IEEETransactions on reliability,2012,61(1):13-22)。
然而，现有技术中针对飞机舱门锁系统的竞争失效模式的建模方法中，通常将突发失效的阈值认为为常值，而忽略了多模式竞争失效机械系统的突发失效阈值会随着工作时间的延续而持续退化这一特点，进而导致无法进行准确的可靠性分析与建模。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种考虑突发失效阈值退化的飞机舱门锁系统可靠性建模方法，该可靠性建模方法包括以下步骤：
外界载荷冲击建模，包括利用泊松过程，对外界载荷冲击进行建模，其中载荷冲击量大小服从正态分布；
对突发失效模式进行建模，其中，突发失效包括突发失效连续退化部分和突发失效阶跃退化部分，所述突发失效连续退化部分符合线性轨迹模型，所述突发失效阶跃退化部分发生于外界冲击载荷到来时刻，所述外界冲击载荷造成的每次阶跃退化量大小服从正态分布；
对退化失效模式进行建模，其中，退化失效包括退化失效连续退化部分和退化失效阶跃退化部分，所述退化失效连续退化部分利用退化轨迹建模，所述退化失效阶跃退化部分为每次外界冲击载荷所导致退化量变化的总和；
根据所述突发失效模式和所述退化失效模式分别建立的模型建立所述飞机舱门锁系统的可靠性模型；
根据所建立的所述飞机舱门锁系统的可靠性模型计算可靠性数据结果。
进一步地，利用泊松过程对外界载荷冲击进行建模，包括：以Wi表示第i次外界载荷冲击的冲击量大小，所述Wi服从参数为N(μW,σW 2)的正态分布，其中μW,σW分别为Wi的均值与标准差，所述外界载荷冲击服从速率为λ的泊松过程。
进一步地，根据所建立的所述飞机舱门锁系统的可靠性模型计算可靠性数据结果，具体包括根据所述可靠性模型计算可靠度及失效率，并绘制可靠度和失效率随时间变化曲线。
本发明的技术方案中，利用泊松过程描述外界载荷冲击的发生的频率和幅值；突发失效阈值的退化由两部分组成，一部分为随时间连续变化的部分，通过线性轨迹模型建模；另一部分为外界载荷冲击导致的阈值的阶跃性变化。其不仅考虑突发失效和退化失效两种相关联的失效模式，以及两种失效模式的失效机理和竞争方式，同时改进传统方法没有考虑突发失效阈值亦随时间退化的不足之处，提高了可靠性建模的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为该发明流程图
图2为飞机舱门锁系统结构和工作原理图；其中图A为锁打开状态，图B为锁关闭状态；1为舱门主体，2为锁钩，3为锁环；F为锁处于关闭状态时，锁环传递给锁钩的载荷，P为作用于舱门主体的分布气动载荷；
图3为飞机舱门锁系统失效示意简图；其中图A表示打开状态，B表示关闭状态；1为旋转副套筒，2为销轴；F为作用于销轴之上的冲击力；
图4为考虑突发失效阈值退化时竞争失效过程示意图
图5为不同工作循环次数下锁系统可靠度变化曲线示意图
图6为不同工作循环次数下锁系统失效率变化曲线示意图
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
结合飞机舱门锁系统的具体结构和工作原理，依照发明流程图图1所示，对本发明实施方式做具体的说明。图2为锁系统的打开和关闭的两个工作状态，当舱门完成运动，锁钩需要关闭以确保舱门保持关闭状态。同时，飞机飞行的过程中舱门受到分布气动力的作用，气动力综合作用于锁钩，使得锁钩处始终有一个压力F的作用。飞机飞行过程中存在着频率和振幅随机的振动，这种振动对机械系统而言，可以看成一系列大小不一、时间间隔不定的外界载荷冲击，冲击力和其它的作用力一样，会对锁机构系统的构件强度构成潜在威胁。
基于工作原理可以分析，锁机构存在两种相关且相互竞争的失效模式。一种为销轴的磨损退化，即退化失效过程，当磨损量达到一定程度的时候会导致转动副运动不顺畅，判定为退化失效。同时，磨损造成销轴承受外界载荷的能力随时间不断下降，使销轴面临因外界载荷冲击所带来强度破坏的威胁，若某次外界载荷冲击超过了销轴的承载能力，则销轴会因为外界载荷导致破坏，锁系统发生突发失效。
图3说明了锁机构失效模式简图。具体实施方式的详细步骤如下：
步骤一：外界载荷冲击建模。外界冲击在时间上按照泊松过程的规律发生，每次冲击量是个随机值，冲击量的大小在概率上符合其特定分布，具体的分布参数需根据实际工程对象具体确定。以Wi表示第i次外界冲击的冲击量大小，冲击量Wi服从参数为N(μW,σW 2)的正态分布，μW,σW分别为Wi的均值与标准差。外界载荷冲击服从速率为λ的泊松过程。
步骤二：突发失效建模。利用线性轨迹描述突发失效阈值连续变化的部分，其中为变化初值，一般为零，β为突发失效阈值连续变化的速率。每次外界载荷冲击所导致的阈值阶跃降低，与冲击发生的时刻有关，以ti表示第i次冲击的发生时刻，Ti为时刻的具体值，以Yi表示第i次冲击所造成突发失效阈值的阶跃变化量。截止时间t，若没有发生过冲击，则系统发生突发失效的概率为0；若发生过1次冲击，系统保持正常的概率为
P(W1＜D0-βT1)×P(t1＝T1)×P(N(t)＝1)
其中D0为突发失效阈值的初始值，βT1为T1时刻突发失效阈值的减少值，P(W1＜D0-βT1)表示第一次载荷冲击量W1小于突发失效阈值的概率；t1＝T1在物理意义上表示第一次载荷冲击发生时刻和初始时间的时间间隔，根据概率论理论可知，该时间间隔服从参数为λ的指数分布，即且由于冲击在时间上符合泊松过程，T1可取[0,t]中的任意值，因此，综合考虑T1所有可能的取值情况，当阈值连续变化速率β符合参数为正态分布时，上述公式进一步推导为：
同理，若截止时间t有两次载荷冲击发生，系统不发生突发失效的概率为
其中Yi表示由于第i次冲击造成的突发失效阈值的阶跃退化量，符合正态分布μY,σY分别为Yi的均值与标准差。
推而广之，根据泊松过程事件发生次数的随机性质，截止时刻t有可能发生任意次数的载荷冲击，因此综合载荷冲击次数所有可能的情况，系统不发生突发失效的概率表示为
其中为截止时刻t外界载荷冲击次数为零时的概率。
步骤三：退化失效建模。退化失效由连续退化部分和阶跃退化部分组成。连续退化部分为机械系统正常工作中发生的自然退化，用X(t)表示，另一部分为由于外界冲击导致的退化量的阶跃式增加，用S(t)表示，用XS(t)表示系统总的退化量，则
XS(t)＝X(t)+S(t)
X(t)可以使用退化轨迹进行建模，以线性退化轨迹为例，即其中为正常退化量的初值，γ为线性退化轨迹中退化量增加的速率，两个参数可以为定值，也可以为服从特定分布的随机参数，具体取值需根据实际工程案例确定。系统所承受的外界载荷冲击会对系统的退化量造成阶跃增加，图4所示为退化失效的退化量随时间递增以及突发失效阈值随时间递减的过程，以Zi表示承受每次冲击后的退化增加量，假定在t时刻有N(t)次冲击，则系统阶跃的总增加量可以表示为
若要求机械系统不发生退化失效，则总退化量需小于机械系统本身所接受的许用退化量，因此系统不发生退化失效的概率表示为
步骤四：机械系统可靠性建模。基于步骤二和步骤三分析过程所得到的结论和相应概率表达公式，对机械系统进行可靠性建模。机械系统的可靠度表达式为：
步骤五：利用上述步骤所推得的机械系统可靠度计算公式，将相应参数的取值带入，得到机械系统可靠度的计算数据以及失效率数据，并基于数据描绘可靠度和失效率随时间变化曲线。图5和图6展示了计算得到的可靠度变化结果和失效率结果。涉及到的参数取值如下表所示：
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种考虑突发失效阈值退化的飞机舱门锁系统可靠性建模方法，其特征在于，所述可靠性建模方法包括：
步骤一：外界载荷冲击建模；外界冲击在时间上按照泊松过程的规律发生；以Wi表示第i次外界冲击的冲击量大小，冲击量Wi服从参数为N(μW,σW 2)的正态分布，μW,σW分别为Wi的均值与标准差；外界载荷冲击服从速率为λ的泊松过程；
步骤二：突发失效建模；利用线性轨迹
Figure FDA0004128481700000011
描述突发失效阈值连续变化的部分，其中
Figure FDA0004128481700000012
为变化初值，一般为零，β为突发失效阈值连续变化的速率，t为时刻；每次外界载荷冲击所导致的阈值阶跃降低，与冲击发生的时刻有关，以ti表示第i次冲击的发生时刻，Ti为时刻的具体值，以Yi表示第i次冲击所造成突发失效阈值的阶跃变化量；截止时间t，若没有发生过冲击，则系统发生突发失效的概率为0；若发生过1次冲击，系统保持正常的概率为P(W1＜D0-βT1)×P(t1＝T1)×P(N(t)＝1)；
其中D0为突发失效阈值的初始值，βT1为T1时刻突发失效阈值的减少值，P(W1＜D0-βT1)表示第一次载荷冲击量W1小于突发失效阈值的概率；t1＝T1在物理意义上表示第一次载荷冲击发生时刻和初始时间的时间间隔，该时间间隔服从参数为λ的指数分布；T1取[0,t]中的任意值；
步骤三：退化失效建模；退化失效由连续退化部分和阶跃退化部分组成，其中，连续退化部分为机械系统正常工作中发生的自然退化，用X(t)表示，阶跃退化部分为由于外界冲击导致的退化量的阶跃式增加，用S(t)表示，用XS(t)表示系统总的退化量，则XS(t)＝X(t)+S(t)；
X(t)使用线性退化轨迹进行建模，即
Figure FDA0004128481700000013
其中
Figure FDA0004128481700000014
为正常退化量的初值，γ为线性退化轨迹中退化量增加的速率，t为时刻；
步骤四：机械系统可靠性建模；基于步骤二和步骤三对机械系统进行机械系统可靠性建模；
步骤五：根据步骤四中得到的机械系统可靠性建模，得到机械系统可靠度的计算数据以及失效率数据，并基于数据描绘可靠度和失效率随时间变化曲线；
其中，所述突发失效建模中，包括突发失效模式的失效阈值退化的建模，阈值的演化包括冲击所致阶跃退化部分和连续退化部分，在第n次冲击到来时，突发失效的即时失效阈值表示为D0-(Y1+Y2+…+Yn-1)-β(T1+T2+…+Tn)，其中D0为初始阈值，Yi(i＝1,2,…,n-1)为突发失效阈值在第i次外界冲击作用下所发生的阶跃退化量值，(Y1+Y2+…+Yn-1)为阈值总的阶跃量，Ti(i＝1,2,…,n)为第i次与第i+1次外界冲击到来的间隔时间，亦表示阈值的连续退化时间，β为退化速率，β(T1+T2+…+Tn)为总的连续退化量；
对突发失效的建模，系统不发生突发失效需要求外界冲击载荷小于即时的突发失效阈值，系统不发生突发失效的概率表示为
Figure FDA0004128481700000021
其中Wi为第i次外界冲击载荷的量值，D0-(Y1+Y2+…+Yn-1)-β(T1+T2+…+Tn)表示突发失效的即时阈值，n可取任意大于等于0的整数，可表示冲击到来次数的任意性，dTi(i＝1,2,…,n)为对冲击到来时间的微分，表示冲击到来时间的任意性；其中，所述机械系统可靠性建模中，对系统可靠性的建模，系统不发生失效既要求不发生突发失效，又要求不发生退化失效，系统的可靠度表示为
Figure FDA0004128481700000022
其中Xs(t)为系统软失效过程，H为软失效过程阈值。
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