Reliability estimation of mechanical seals based on bivariate dependence analysis and considering model uncertainty

The reliability estimation of mechanical seals is of crucial importance due to their wide applications in pumps in various mechanical systems. Failure of mechanical seals might cause leakage, and might lead to system failure and other relevant consequences. In this study, the reliability estimation for mechanical seals based on bivariate dependence analysis and considering model uncertainty is proposed. The friction torque and leakage rate are two degradation performance indicators of mechanical seals that can be described by the Wiener process, Gamma process, and inverse Gaussian process. The dependence between the two indicators can be described by different copula functions. Then the model uncertainty is considered in the reliability estimation using the Bayesian Model Average (BMA) method, while the unknown parameters in the model are estimated by Bayesian Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method. A numerical simulation study and fatigue crack study are conducted to demonstrate the effectiveness of the BMA method to capture model uncertainty. A degradation test of mechanical seals is conducted to verify the proposed model. The optimal stochastic process models for two performance indicators and copula function are determined based on the degradation data. The results show the necessity of using the BMA method in degradation modeling.     

时变磨损间隙对机构可靠性的动态影响

为克服磨损速率恒定和磨损影响因素随机性假设带来的不足,并准确预测机构磨损可靠性的动态变化过程,利用等效弹簧阻尼接触碰撞力模型和磨损过程离散化方法,建立了关节间隙的时变磨损方程;引入PHI2方法、定义上穿率,将时变磨损方程转变成时变可靠性方程,从而提出了含时变间隙多体系统动力学和PHI2方法相结合的磨损可靠性分析方法。以某星载天线双轴定位机构为例,研究了产品可靠性及参数概率灵敏度的动态变化规律,分析了磨损各参数对产品可靠性的影响。结果表明,在稳定磨损阶段结束以前,接触碰撞力是主导因素,其对可靠性的敏感度是其他因素的10倍以上,此后,间隙将超过接触碰撞力,成为新的主导因素;且间隙存在临界情况,在此之前,间隙的适当增大有利于产品可靠性的提高。相比于现有研究强调磨损随机性、忽略磨损过程的非线性变化和间隙时变对可靠性的影响,所提方法能准确预示磨损及可靠性的动态变化过程。     

认知不确定性下可靠性灵敏度分析的新指标

传统的可靠性灵敏度指标只考虑了随机不确定性,当结构中还存在认知不确定性时,该指标难以反映出基本变量中认知不确定性对结构可靠性评估结果的影响程度.针对这一问题,引入概率包络来表达结构中的随机不确定性和认知不确定性,在此基础上建立了可靠性灵敏度分析的新指标——认知灵敏度系数,给出了其定义和代表的意义,并基于证据理论提出了认知灵敏度系数的计算方法.算例分析表明,认知灵敏度系数可以反映出基本变量中认知不确定性对结构可靠性评估结果的不确定性的影响程度,从而为有针对性地提高可靠性评估结果的准确性提供依据.另外,基于证据理论的认知灵敏度系数的计算方法适用于极限状态函数为单调、非单调的结构,以及变量服从正态、非正态的结构,具有普适性.     

基于贝叶斯更新的飞机结构腐蚀可靠度模型

民用飞机结构腐蚀发展的时变性和样本采集的局限性,给腐蚀检测数据分布函数的确定及参数的估计带来了很大的不确定性。针对这一问题,给出了基于贝叶斯公式的合理分布函数选取及参数估计方法。为满足在役飞机结构可靠性动态管理的需求,基于贝叶斯更新思路,将反映结构性能退化共性规律的预测模型视为先验模型,沿着具体结构生命周期不断挖掘利用新信息,建立具体飞机结构腐蚀失效概率和可靠度的动态预测模型。算例采用某型民用飞机地板梁结构腐蚀的无损检测数据,结果显示：腐蚀深度的合理分布为双参数威布尔分布,基于贝叶斯更新后的腐蚀失效概率计算得到的结构可靠度与未更新的显著不同。表明更新后的可靠度因为既考虑了模型参数的历史先验信息,又利用了当前数据实时更新了预测模型,从而有效地降低了有限样本带来的不确定性,使得预测值稳健且具有时变性,更符合工程实际。     

基于自适应代理模型的结构动力可靠度分析方法

结构动力可靠度分析对于衡量结构的安全状态和工作性能具有重要的指导意义。采用一种同时考虑 动态激励载荷和材料力学性能参数随机性的动力可靠度计算高效方法,通过建立不确定性材料力学性能参数 与条件动力可靠度之间的 Kriging代理模型,推导动力可靠度的解析表达式;提出一个新的学习函数来构建自 适应的 Kriging代理过程,通过复合材料飞行器蒙皮骨架结构在随机振动载荷和随机材料力学性能参数共同作 用下的动力可靠度分析对所提方法的准确性与高效性进行验证。结果表明:所提方法不仅能够避免使用代理 模型对动力可靠度求解时由于使用数值积分所引入的误差,同时能够使用尽可能少的计算成本获得准确的动 力可靠度结果。     

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

Gamma过程退化失效可靠性分析

退化型失效产品,可通过退化失效分析对其进行可靠性统计推断。性能退化一般是一个随机过程,并且是单调变化的,为描述产品的退化,给出了一个随机Gamma过程模型,通过求解该过程的首达时分布即可获得产品的失效分布。由于解析方法求解存在很大的难度,给出了一种基于仿真的求解方法。利用所得模型对强激光装置所用的某型金属化膜脉冲电容器进行了可靠性分析,说明了模型的适用性。     

湍流模型系数不确定度对翼型绕流模拟的影响

使用非嵌入式多项式混沌方法研究了湍流模型系数的不确定度对RAE2822跨声速翼型绕流模拟的影响。计算中关注了数值模拟的积分量（升力系数、阻力系数）和局部量（壁面压力、摩擦系数和空间马赫数分布）的不确定度量化结果。首先，从单输入变量入手，研究卡门常数的不确定度对数值模拟的影响。然后，同时考虑Spalart-Allmaras模型中9个参数的不确定度带来的影响。通过多项式混沌展开，得到系统输出对不确定输入变量的响应，由此可以得到输出的统计特性，包括平均值、方差和极值等信息。最后，在多变量不确定度量化过程中，通过Sobol指标来量化每个输入变量的不确定度对输出不确定度的贡献程度。本文计算只考虑了RAE2822跨声速翼型模拟的单一计算状态，影响规律是否可以推及其他工况和算例需要进一步检验。     

考虑气动不确定性的气动弹性系统模型确认

研究了机翼气动弹性系统的不确定性建模及其模型确认问题。结构的不确定性考虑为参数形式,气动力的不确定性分为未建模动力学和参数不确定性两种形式进行讨论。建立不确定气动弹性系统的线性分式变换（LFT）模型,给出了频域的模型有效性检验方法,对有效模型集进行参数化并将不确定性幅值最小的模型集求解归结为优化问题。在建模中计入了实际存在的、未知但能量有界的外扰和噪声的影响,降低了结果的保守性。最后,根据模型确认的结果,使用结构奇异值μ 分析方法进行不确定系统的鲁棒颤振分析。仿真计算结果表明了模型确认方法的有效性。     

基于稀疏网格配置方法的超燃冲压发动机高维不确定性量化

为了定量化的评估和研究随机不确定性对超燃冲压发动机性能评估及优化设计可能带来的影响及其规律特征,本文基于高斯过程描述发动机工作状态及来流环境等控制参数随机误差,建立由自由来流条件、进气道压缩系统以及燃烧加热等构成的发动机输入边界不确定性表征。耦合全局敏感度分析、稀疏网格技术、概率配置方法及等压燃烧热力学分析模型,提出了面向超燃冲压发动机高维不确定性量化方法,研究量化了上述随机不确定性输入对典型超燃冲压发动机性能的影响及其不确定性传递特征。结果表明：马赫数6.0巡航条件下,发动机的比冲对进气道的压缩过程最为敏感,占比达到65%~70%,而对燃烧加热的敏感性最低,进气道压缩系统的初始压缩激波以及来流马赫数对于整个超燃冲压发动机的比推力敏感性要显著高于其他输入因素;随着燃烧室入口马赫数由2.0增大到3.0,单一因素存在5%不确定性导致的发动机比冲性能评估的不确定度由最小的5.5%快速放大到约7.63%,系统朝着不稳定的方向发展,多种随机不确定性共同作用下的发动机性能不确定性传递存在一定的耦合效应;高速进气道正常工作需要处理的空气动能与外部注入的燃料热能之比随飞行马赫数增加呈现近似2次方指数型增长,从能量流视角开展进一步的分析研究将非常有助于深度理解超燃冲压发动机性能不确定性的传递行为。     

矢量喷管机构强度可靠性分析

本文将矢量喷管构件的强度考虑为随机变量,将构件的应力考虑为随机过程,建立了构件结构功能函数的随机过程模型.通过结构功能函数的极小值变换,把功能函数的动态可靠性模型转化为功能函数极小值分布的静态可靠性模型.根据构件应力过程的特点,把构件应力的随机过程简化为Gumber-平稳二项随机过程,并给出了当构件强度分布为正态分布,但分布参数未知时,构件可靠度的最小方差无偏估计值.     

样本量对滚动轴承振动性能变异过程评估的影响

以轴承全寿命周期内的振动时间序列为研究对象,构建最大熵泊松评估模型以研究滚动轴承振动性能的演变历程。将振动时间序列分为不同的段数,基于最大熵原理和泊松过程,计算各个振动时间序列相对本征时间序列的变异概率、性能保持可靠度及其变异速度和变异加速度等指标；分析各个性能变异指标与样本量的关系,从而选取合适的样本量；用动态平均不确定度分析性能保持可靠性评估结果的不确定性。结果表明:针对案例1和案例2,将样本量分别选取为800~1000和500~900,既可以使本征序列数据样本蕴含足够的振动信息；又可以对轴承振动性能的具体变异过程进行有效地评估。      

Sealing reliability modeling of aviation seal based on interval uncertainty method and multidimensional response surface

Many variables affect the sealing performance, and their distribution characteristics are difficult to obtain with probabilistic methods owing to the high cost involved. Numerous problems in engineering are similar due to the appearance of small-sample parameters. In this study, the sealing reliability of an aviation seal was defined as the research object, and an interval uncertainty method and multidimensional response surface were proposed to calculate the sealing reliability.Based on this, we first analyzed the failure mechanism of the aviation seal and established a leakage rate model. Then, based on the non-probabilistic interval model, an interval uncertainty method was proposed to construct the analytical model. With reference to the limit state equation from the structural reliability theory, the multidimensional response surface was used for fast calculation.Then, we chose the single-cylinder gas steering gear used in aircraft as the case study, its sealing reliability in working and non-working statuses were calculated, and the results were verified with the actual maintenance records. By analyzing the sensitivity of some variables, we can improve the sealing reliability of the aviation seal by improving the surface roughness only if the cost allows.Finally, we consider that the method proposed in this study realizes the application of smallsample uncertainty analysis in reliability analysis, and could provide a feasible way to solve the similar problems in engineering with multidimensional and small-sample parameters.     

不确定性载荷作用下的零件时变可靠性模型

分析现有时变可靠性建模方法的特点,建立不确定性载荷作用下的零件时变可靠性模型,给出基于载荷和强度分布的零件可靠度和失效率计算表达式。研究载荷作用的特点,建立不确定性载荷作用过程的二维描述法。在此基础上,分别得到强度不退化和退化时的零件时变可靠性表达式。研究表明,即使强度不退化,零件的可靠度和失效率也会随时间逐渐降低;强度退化时,可靠度随时间降低较为明显,失效率具有“浴盆”曲线的特征。在载荷和强度分布已知的情况下,可直接运用本文模型计算零件在任意时刻的可靠度和失效率。当给定许用失效率时,运用本文模型可以更客观地划分零件的早期失效期、偶然失效期和耗损失效期,进而确定零件筛选试验时间、可靠寿命等指标,对零件进行全寿命周期管理。     

Efficient adaptive Kriging for system reliability analysis with multiple failure modes under random and interval hybrid uncertainty

In the field of the system reliability analysis with multiple failure modes, the advances mainly involve only random uncertainty. The upper bound of the system failure probability with multiple failure modes is usually employed to quantify the safety level under Random and Interval Hybrid Uncertainty(RI-HU). At present, there is a lack of an efficient and accurate method for estimating the upper bound of the system failure probability. This paper proposed an efficient Kriging model based on nume...     

基于联合k/n(G)模型的DIMA系统可靠性建模与分析

针对分布式综合模块化航空电子（DIMA）系统的动态重构特性,分析了动态重构策略及重构过程,构建了面向DIMA系统的联合k/n（G）可靠性模型。以驻留于DIMA系统的综合显示功能为例进行了实验分析,讨论了系统重构过程可靠度与时间变化关系,给出了利用一般k/n（G）可靠性模型建模的可靠度变化曲线,通过对比分析验证了联合k/n（G）模型的适用性和合理性;通过参数敏感性分析,观察不同模块配置参数对系统可靠度的影响,得出相关结论,为提高DIMA系统动态重构过程的可靠性和优化资源配置提供指导。     

计及随机噪声的频域多输入多输出模态参数识别

提出了一种计及随机噪声的多输入多输出频域模态参数识别方法。该方法基于连续时间域的频率响应函数有理分式模型,利用Forsythe正交多项式改善求解性态,属频域的极大似然类估计方法。在最小二乘估计的基础上,利用"先验"的随机噪声信息进行优化迭代的极大似然估计,得到更优的模态参数识别结果。根据Cramer Rao下界不等式,在几乎不增加计算量的情况下获得所识别结果的不确定性信息,提高了模态参数识别的可靠性。采用GARTEUR飞机模型作为仿真算例,对本算法进行了仿真验证。     

多余度飞控计算机系统分级组合可靠性建模方法

系统可靠性是决定飞机飞控计算机系统(FCCS)体系结构选型的重要依据,可靠性建模技术(SRMT)是定量评价系统可靠性的关键。目前有可靠性框图(RBD)、故障树分析(FTA)、Markov随机过程和Petri网等多种系统可靠性建模方法,由于求解的途径不同,各种方法都具有优缺点。文章综合静态和动态系统可靠性建模方法特点,提出一种分类划分和分级组合的系统可靠性建模(HCRM)方法,并用该方法对Boe-ing777飞机非相似余度FCCS进行了可靠性建模。与传统方法比较,该方法将基于状态的可靠性建模方法和非状态可靠性建模方法进行组合,并基于系统静态和动态特性分级建模和求解,在一定程度上化解了复杂系统可靠性建模的复杂度和求解难度,使系统可靠性模型更加精细和符合实际系统。     

基于GSPN的机载液压作动系统可靠性模型

机载液压系统具有余度降级、故障检测、隔离等动态时序过程,传统基于两元可靠性模型很难描述其动态行为和性能降级过程.针对这一问题,采用分层聚类和广义随机Petri网相结合建立了机载液压系统可靠性模型.利用该模型,详细分析了故障检测装置的故障检测率对系统可靠性的影响.分析结果表明,由于故障检测装置故障检测率的影响,机载液压作...     

机翼带外挂系统极限环颤振的区间分析

针对带有初偏间隙型非线性刚度的二元翼带外挂系统的极限环颤振,应用当量线化方法得出了颤振边界曲线,并根据颤振边界曲线用4阶Runge-Kutta法得到极限环相图,可明显看出极限环振动与普通周期振动的区别。然后引入了几个不确定量,通过区间分析方法给出了这些不确定量对机翼带外挂系统颤振边界曲线的影响,并用随机有限元法(FEM)验证区间分析方法的可靠性。进而可以得到一定来流速度下,具有不确定机翼外挂系统幅值的上下界,以及不确定参数对极限环相图的影响。知道机翼外挂幅值的上下界后,可以对外挂幅值进行适当控制。