退化型产品的剩余寿命预测与健康管理方法研究

摘要

随着我国航空航天、高速轨道交通、海洋装备、重型机床等行业复杂装备的发展，其中退化型产品的可靠性关乎我国国防力量、社会民生等各个方面，这就需要对其进行相应的可靠性研究。在产品全寿命周期内，亟需监控系统运行状态，实时预测故障并提供相关维修资源等以保障产品健康状态。因此，本文将重点研究退化型产品的剩余寿命预测与健康管理方法。产品呈现出动态失效过程、维修资源准备和调度周期长、维修费用高昂和失效聚集等特征。本文首先研究基于退化与冲击过程的剩余寿命预测方法，其次提出基于疲劳裂纹扩展有限元模型和改进粒子滤波的剩余寿命预测方法，再根据预测的结果构建基于调度阈值与维修阈值的在线维修决策框架，并提出基于近极值理论的失效聚集性评估方法。
　　本文主要研究内容如下：
　　（1）针对受到退化与冲击过程的系统提出一种预测剩余寿命的方法。将退化过程与冲击过程描述为“元素过程”，冲击损害是一种由于冲击过程作用造成的，作用于软失效过程中的损伤。退化损害是一种由于退化过程作用造成的，作用于硬失效过程中的损伤。损害在本文将特殊用于代表一个元素过程对另一个复合过程的影响。软失效过程包括退化过程与冲击损害，硬失效过程包括冲击过程与退化损害。软失效过程与硬失效过程属于复合过程，竞争系统失效。构建基于退化与冲击模型的剩余寿命预测框架，使用粒子滤波在考虑和不考虑测量噪音两种情况下，进行系统状态估计，预测在线剩余使用寿命。
　　（2）机械结构的疲劳裂纹扩展是退化型产品的一种重要失效形式。通过结合高性能疲劳力学与滤波算法，研究机械结构裂纹扩展相关的故障诊断与预测方法。通过使用有限元替换算法计算应力强度因子，同时使用移动最小二乘法计算疲劳裂纹扩展速率，完成对疲劳裂纹扩展实施快捷和精确地确定性分析。扩展卡尔曼滤波和粒子滤波均用于估计裂纹长度。依据估计的裂纹长度，预测基于疲劳裂纹扩展的剩余使用寿命，并改进粒子滤波以达到显著减轻计算量的目的。
　　（3）考虑维修资源准备的提前期，建立基于预测的最优维修策略。引入一个调度阈值表示开始准备各项维修资源。调度阈值、维修阈值和失效阈值三者构成一个基于三阈值的维修管理框架。使用该框架，供货商可在系统状态到达调度阈值时，开始准备维修资源；在系统状态到达维修阈值时，执行维修。期望总维修费用率为最优维修策略优化目标，其中维修费用依据系统状态确定，并考虑了供货商与客户等待时间费用。最后在预测与健康管理框架下动态更新最优维修策略。
　　（4）在用户使用一批次产品时，如果产品的失效时间聚集，其危害性远大于单一产品失效。如果致力于研发可靠和安全的产品，亟需避免在短时间出现多个失效的现象，并针对这种现象展开研究。这种产品失效的聚集性由近极值系统状态和近极值失效时间所衡量。本文将定义近极值系统状态与近极值失效时间，并在离线与在线解决方案中给出计算方法，从而建立一个适用于离线与在线的失效聚集性评价体系。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景意义

1.2 应用情况

1.3 研究现状

1.4 本文主要研究内容

1.5 本文结构

第二章 基于退化与冲击过程的剩余寿命预测

2.1 引言

2.2 系统建模

2.3 基于退化与冲击模型的剩余寿命预测框架

2.4 简单算例

2.5 小结

第三章 基于疲劳裂纹扩展有限元模型的剩余寿命预测

3.1 引言

3.2 高性能疲劳力学算法

3.3 基于滤波算法的疲劳裂纹扩展诊断与预测

3.4 简例：紧固件孔附近的一个简单裂纹扩展

3.5 小结

第四章 基于三阈值的健康维护

4.1 引言

4.2 系统假设和模型描述

4.3 维修等待时间

4.4 维修策略

4.5 PHM框架下的最优维护策略与算例

4.6 数值算例

4.7 小结

第五章基于近极值的健康评估

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 离线方案

5.4 在线方案

5.5 简单算例

5.6 小结

第六章全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

在学期间参与的项目研究

攻读博士学位期间取得的成果