基于元动作单元依赖特性建模的机械系统多态可靠性评估方法研究

摘要

传统的机械产品可靠性研究方法是从电子产品的可靠性中演变而来，例如可靠性框图(RBD)、故障树分析（FTA）、故障模式影响及危害度分析（FMECA）等均首先在电子产品中得到应用。但随着科技的不断发展，现代机械产品日趋复杂化、精密化、智能化，往往还与电子控制系统、液压系统等相结合，传统的基于电子产品的可靠性研究方法已经不能适应现代机械的可靠性分析要求。另一方面，为便于理论的分析，目前关于机械系统多态可靠性理论的研究大多假设零部件或单元之间的性能状态分布是相互独立的,但在实际的工程中，零部件或单元之间相互作用所引起的性能相关性问题是不可避免的，这与上述假设并不相符。在这样的背景下，本文依托相关科学基金项目的支持，进行了复杂机械系统的多状态可靠性分析方法研究，主要研究内容如下：　　首先，针对机械系统传统分解方法存在的分解过程繁杂，分解结果不全面等问题，基于机械系统“运动决定功能”的特点，采用“功能—运动—动作”（FMA）的分解方法得到元动作链以及各个元动作。以元动作所构成的元动作单元为研究对象，分析元动作单元的多态性，描述多状态的判断依据。接着论述元动作单元的性能向机械系统映射的结构函数，简要介绍了常见结构函数类型。再以加工中心转台子系统的分解实例论述 FMA方法的优势，为后面章节的展开奠定基础。　　然后，利用非齐次马尔科夫模型描述元动作单元多状态的演变过程。在一条元动作单元链上，依据其元动作单元之间结构和性能的相关性，分析上下游元动作单元之间的相互作用关系，根据元动作单元之间出现的共用元素以及单元内零件所扮演的功能角色提出单元之间存在的依赖特性，并将具有依赖特性的单元之间构成依赖组。通过引入状态转移系数，利用状态转移矩阵的变化来刻画依赖特性的强弱，并给出状态转移系数的求解方法，在此基础上建立元动作单元考虑依赖特性后的各个状态稳态概率求解模型，并以加工中心转台子系统分解得到的元动作单元为实例验证计算模型的适用性，为后面机械系统的多态可靠性评估提供支撑。　　最后，在求得含有依赖组的元动作单元各状态稳态概率后，利用向量通用发生函数表征机械系统考虑依赖特性后的多状态及状态对应的概率分布，并利用向量通用发生函数本身的结构算子来表征元动作单元到机械系统的结构函数，讨论当机械系统具有常见不同类型的依赖组时对应的向量通用发生函数。再根据机械系统的性能劣化特性，设定系统的性能阀值，利用可靠度求解公式，评估机械系统考虑其组成单元依赖特性后的多态可靠度，并将此时的可靠度与未考虑依赖特性的机械系统多态可靠度进行对比分析，发现机械系统不同状态的可靠性与单元依赖特性强弱之间存在一定的规律。

目录

1 绪 论

1.1 背景

1.2 多态系统概述

1.3.1 课题来源

1.3.2 论文的研究意义

1.4 国内外研究现状

1.4.1 机械系统可靠性研究现状

1.4.2 多态系统可靠性研究现状

1.4.3 元动作单元研究现状

1.4.4 存在的问题与不足

1.5.1 论文的主要研究内容

1.5.2 论文的整体框架

2 元动作理论和多态可靠性理论阐述

2.1.1 FMA分解

2.1.2 元动作单元

2.2.1 多状态系统基本属性

2.2.2 多状态系统的一般模型

2.2.3 多状态系统可靠性评价

2.3 系统结构函数

2.3.1 串联结构

2.3.2 并联结构

2.3.3 混联结构

2.4 案例分析

2.4.1 加工中心的分度转台

2.4.2 分度转台FMA分解

2.4.3 分度转台系统的结构函数

2.5 本章小结

3 基于元动作单元依赖性的多态可靠性建模

3.1.1 元动作单元的多态性判定

3.1.2 元动作单元性能状态离散化处理

3.2.1 马尔科夫模型定义

3.2.2 状态转移概率和稳态概率

3.3 考虑单元依赖特性的可靠性建模

3.3.1 元动作单元的依赖性分析

3.3.2 考虑依赖特性后的单元状态转移率矩阵

3.4 实例分析

3.4.1 转台的元动作单元依赖组划分

3.4.2 各单元稳态概率求解

3.5 本章小结

4 基于向量通用发生函数的多态系统可靠性评估

4.1.1 多态系统性能退化规律

4.1.2 向量通用发生函数介绍

4.1.3 基于元动作单元的多态系统性能分布

4.2.1 考虑单元性能依赖的u函数

4.2.2 不同依赖组的可靠性分析

4.2.3 基于向量通用发生函数的多态系统可靠性评估

4.3 实例评估

4.3.1 求解转台多态系统的发生函数

4.3.2 单元相互独立的多态转台系统可靠性评估

4.3.3 考虑依赖特性的转台多态系统可靠性评估

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 后续研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. MATLAB程序代码

D. 学位论文数据集

致谢