系统可靠性预测研究及在航空航天中的应用

本文综述了目前国内外系统可靠性预测的主要方法及其在航空航天中的应用;简单介绍了主动控制技术(ACT)电传飞行操纵余度系统可靠度预测的方法。主要包括数学模型的建立及计算机算法两方面:逻辑变量描述系统、部件状态模型(RSCA—Ⅰ算法);网络—约束表决矩阵模型(RSCA—Ⅱ算法);网络图模型(RSCA—Ⅲ算法)及状态转移链模型和其算法。 通过以上数学模型的建立及其算法的研究,使系统可靠性预测的方法能应用到具有表决节点及相关部件的余度系统中。     

一种航天器防护与遮挡的几何描述算法研究

文中提出了一种航天器部件在任意威胁攻击方向上的投影面积和重叠面积的计算方法及部件间遮挡关系的确定方法。采用“几何拼接法”或借助有限元软件来建立航天器及其部件模型。将航天器各个部件向投影坐标系进行投影获得部件投影边界图形。利用垂直扫描线对各个部件的投影多边形进行扫描并进行求交运算 ,形成多个分散的四边形 ,在每个四边形内产生射击线 ,累加求出航天器易损性评估中所需的部件投影面积、重叠面积及遮挡关系。算例对三个正方体形状的部件进行了几何描述 ,当扫描线步长取 2cm时 ,投影面积及重叠面积计算值与理论值的最大相对误差为 5 0 6% ;当扫描线步长取 0 5cm时 ,最大相对误差为 1 2 5 %。结果表明算法通用性强 ,易于实现     

基于Petri网的UML状态图的形式化模型

提出一种可以准确描述UML状态图动态特征的形式化模型SC_Net.首先给出了UML状态图的形式化语法定义,其中用状态集合、转移集合、事件集合、条件集合、活动集合、对象集合和变量集合,定义了一系列辅助函数描述UML状态图特征,用确定目标状态和受限源状态表示层次关系,用开放事件和封闭事件表示对象之间的消息.基于C_Net定义了描述UML状态图动态语义的Petri网模型SC_Net,既能描述状态图中的控制部分,又能描述状态图中的数据处理部分,并给出了从UML状态图到SC_Net的转换步骤,便于实现自动转换过程.最后以柔性制造系统的一个实例说明SC_Net能用于分析UML状态图的性质.      

基于脊背特征的发动机低转速特性扩展方法

旋转部件在高空低转速时，其工作状态受来流的吹动作用可能会发生变化，此时压气机处在特殊的“搅拌机”或“涡轮”工作状态，使得发动机的动态计算中效率插值出现不连续的问题。为解决此问题，采用美国国家航空航天局（NASA）和通用电气公司（GE）联合开发的针对旋转部件特性转化的脊背特征方法，通过分析低转速下旋转部件脊背特征及非脊背特征的变化趋势，提出基于脊背特征的旋转部件低转速范围特性的扩展方法，并有效规避了效率特性在低转速下插值的失效。以某型军用涡扇发动机为例，计算其处于不同飞行条件下的发动机风车工作状况，结果表明：所提方法能够反映出低转速下压气机压比小于1的特殊工作状态，且不同飞行条件下的风车特性计算合理。     

修理工带休假的n部件冷贮备可修系统

对由1个修理工和n个部件组成的冷贮备可修系统的可靠性进行了研究,当系统中没有故障部件时,修理工可以进行多重休假,休假时间是一个随机变量;在修理工休假期间,如果系统中在线工作的部件出现了故障,则其中一个冷贮备部件立即代替故障部件成为在线工作部件,故障部件必须等待修理工从休假返回才能得到修理。假定部件的工作时间、部件故障后的修理时间以及修理工的休假时间均为位相型(PH)分布。通过运用Kronecker算子和马尔可夫过程理论,分别推导出系统在瞬态和稳态情况下的几个可靠性指标:可靠度、可用度、故障频度以及修理工忙的概率。通过数值算例对所得结论进行了验证。     

空间站大型伸展机构柔性多体动力学数值计算

对用ｋａｎｅ方法建立的空间站大型伸展机构柔性多体动力学数学模型,从数值计算方法和软件实现方面进行了研究。文章采用局部附着浮动坐标系描述各构件的刚体大范围伸展运动;用截断的子结构正则模态描述各构件的柔性变形;用求解刚性方程的ＴＲＥＡＮＯＲ方法进行数值积分;用混合法对系统的微分－代数动力学方程组进行求解。还对空间站伸展机构多体系统的约束方程建立、独立坐标选取和动力学方程的ｓｔｉｆｆ病态问题进行了讨论。并针对空间站伸展机构在驱动展开过程中以及展开完成后的动力学响应进行了算例计算。     

非光滑多体系统最大Lyapunov指数的计算方法

结合非光滑力学与非线性动力学的理论给出非光滑多体系统最大Lyapunov指数的数值计算方法.应用第一类Lagrange方法建立具有单边约束非光滑多体系统变拓扑结构动力学方程;应用线性互补理论与方法检测非光滑事件;应用混沌同步方法计算Lyapunov指数.在提高计算速度方面,提出了采用二分搜索法加快搜索速度以及采用调制参数方法加快系统达到同步状态的速度.通过算例说明本文算法的可行性与有效性.      

大范围运动柔性航天器的递推有限段法分析

采用有限段法对做大范围运动柔性航天器建模时,针对传统方法求解计算效率低的问题,提出将有限段法与空间算子代数理论结合的高效处理方法。首先采用有限段法对柔性部件进行离散,将系统构造成为带关节柔性的多刚体系统,然后采用空间算子代数理论建立递推动力学方程,保证了分段引入大量广义坐标的情况下计算量仅呈线性增长,很好地克服了分段后系统运算量急剧增长的问题。最后给出双柔性杆机械臂系统的仿真算例,分别采用空间算子代数算法(SOA)与牛顿欧拉法(NE)建模,数值仿真结果表明采用SOA法与NE法建模所得计算结果完全一致。对比两种方法计算时间表明,SOA法计算量与系统自由度呈线性关系,且远小于牛顿欧拉法,仿真结果证实了本文方法的可行性和有效性。     

液体火箭发动机系统面向对象分析方法

对液体火箭发动机系统面向对象分析方法进行了探讨,提出了功能型部件、检验型部件和系统调节器三类广义部位的概念,并给出了它们的结构。描述了实际系统分割和顺序化计算过程,给出了顺序化计算方法明确的数学表示。将面向对象分析方法应用于发动机构型研究,建立了发动机功率平衡计算方法和静态特性分析方法。基于这些方法的应用程序通用性好,计算速度快、精度高。     

任意寿命分布的多部件系统备件配置优化算法

针对部件服从任意寿命分布的多部件系统,提出了基于蒙特卡罗仿真-边际效益分析的备件配置优化算法,采用蒙特卡罗仿真方法计算备件供应效能值,在此基础上引入边际效益分析法确定备件的优化配置.算例中以供应延误时间为供应效能目标值,以费用为约束条件,得到了由若干指数寿命件、正态寿命件和威布尔寿命件组成的多部件系统的备件优化配置清单,并对算法进行了比较验证,结果表明该算法对于解决复杂系统的备件优化配置问题具有良好的适用性.      

小展弦比机翼颤振抑制的状态空间法与最优控制律

本文介绍了机翼颤振抑制系统的状态空间分析方法,文中给出了利用后缘控制面作为控制输入时机翼颤振点的变化。控制律是颤振抑制中的中心问题,本文采用满足二次型性能指标为最小的最优控制。计算表明:合适的状态加权阵使颤振速度提高。对所采用的算例,其颤振临界速度提高了一倍以上。     

多状态系统中不交化运算的实现

该文研究多状态系统不交化运算的实现算法。通常在多状态系统中进行可靠性计算时,需要对集合进行不交化运算。由于多状态系统元件状态的多态性,不交化运算很难实现。首先介绍了集合的立方体表示方法,然后建立相应的运算规则。在此基础上,提出多状态系统不交化运算的实现算法;通过实例分析,说明了这种方法的可行性。     

重点区域入侵安防设备系统可靠性建模方法

为了评估重点区域入侵安防系统设备可靠度,首先给出了重点区域安防系统可靠度的定义,以收集到的安防设备故障信息为基础,对这些数据进行指数分布检验与估计,得出安防设备的故障分布。然后对重点区域中各子区域以及安防系统中各类设备的具体功能进行分析,描述了区域及设备功能间的备份关系以及区域间、区域与设备间的可靠性关系,建立重点区域安防系统、子区域与设备的可靠性框图模型,运用混联可靠性框图计算方法得出重点区域安防系统可靠度。最后进行了实例验证,表明该模型可方便计算重点区域入侵安防系统的可靠度,验证了模型的有效性。     

网络可靠度的布尔代数算法

本文介绍R.G.Bennetts[1]、[2]提出的用布尔代数求网络可靠度的方法。先根据网络结构图写出最小路集,应用布尔代数将其化为不交和以后,即可由布尔域一一对应地转换到概率域,算出网络可靠度。布尔代数法在计算非串并联网络时,可以省去采用全概率分解法。此方法简便易行,适用于手工计算最小路集的条数不多的网络的可靠度。本方法可应用于人造卫星分系统的可靠性分析设计和通信网络、交通网络的可靠度计算。     

基于状态转移矩阵的航天器多脉冲悬停方法

基于航天器相对运动的状态转移矩阵描述,研究了空间相对悬停的多脉冲控制方法,解决了工程实践中连续推力悬停轨道控制技术对航天器控制推进系统要求较高的难题。给出了两航天器在圆、椭圆和双曲线等圆锥曲线参考轨道上相对运动的状态转移矩阵描述。在此基础上,定性分析了椭圆参考轨道偏心率对悬停精度的影响,推导了航天器多脉冲悬停速度脉冲控制量的计算方法。数值仿真算例显示,该方法可有效实现一定悬停精度要求下的空间相对悬停控制,且随着一个轨道周期内脉冲数的增加,相对悬停的效果得到提升。     

结构模糊非概率混合可靠性分析方法

针对模糊非概率混合不确定性下结构可靠性分析问题,基于模糊数学分解原理将混合可靠性分析模型转化为[0,1]内连续分布隶属度水平下的非概率可靠性分析模型;针对非概率可靠度计算复杂性,基于逐维策略将结构功能函数最值的计算转化为最值点向量的逐维计算,提出一种确定结构功能函数界限的算法;通过在[0,1]内遍历隶属度值确定结构可靠度的隶属度函数实现结构可靠度模糊性的定量化.算例表明该方法的合理性,计算精度高和计算量小的特点为复杂工程结构可靠度分析及优化设计提供了可行途径.      

N中连续取k好可修系统的模糊可靠性

在假定关键部件具有较高的修理优先权的条件下,讨论了具有1个修理工的可修n中连续取k好系统.利用马尔可夫过程对系统的各状态进行分析,得出了系统各状态的概率.然后利用基于模糊状态的可靠性理论,通过定义系统各状态对模糊成功的隶属函数,得到了可修n中连续取k好系统的模糊可靠性指标的计算公式,并比较其结果与传统可靠性理论的不同之处.模糊可靠度可以反映系统中工作部件的数目对系统性能的影响,它全面刻画了系统的可靠性行为.最后给出了计算示例说明算法.     

基于非线性变形场的柔性多体系统动力学

采用非线性变形场描述，将变形场表达为变形广义坐标的二阶小量形式，应用Ｋａｎｅ方法 建立了计及动力刚化项的柔性多体系统动力学模型，通过算例的数值仿真证明了本文模型的有效性和广泛的适用性。     

研究用现场数据估计系统可靠性参数置信区间

研究用元部件现场信息估计系统可靠性参数,如系统可靠度、可靠寿命等区间估计问题。文中提出了一种新的估计方法——替换百分点法,并运用Monte Carlo数字仿真对估计的置信度和精度进行了分析,研究结果表明此方法具有工程应用价值。     

椭球状态定界的鲁棒算法

提出了一种计算鲁棒的线性离散时间系统的椭球状态定界算法.算法假设系统的过程和量测噪声以及初始状态由已知椭球来定界,然后利用椭球集合来描述系统真实状态的可行集.算法的时间更新和量测更新过程分别产生两个椭球的向量和与交.算法对椭球形状矩阵进行Cholesky分解,使得当存在舍入误差时椭球形状矩阵保持正定.为了不受病态矩阵求逆的影响,算法的量测更新过程采用了求次最小容积椭球的方法.采用在数字计算机上进行蒙特卡洛仿真来检验算法的性能.结果表明算法的精度与最优算法十分接近,并且具有很好的计算鲁棒性.算法同时具有易于在并行计算机上运行的优点.