二元共载系统退化相关的两阶段退化模型及可靠性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29046

固体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

二元共载系统退化相关的两阶段退化模型及可靠性分析

张帆¹^,², 程伯晗³, 王鹏¹^,²(), 董磊¹^,²

^1.中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300
^2.中国民航大学科技创新研究院，天津 300300
^3.中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300

收稿日期:2023-05-25 修回日期:2023-06-23 接受日期:2023-08-04 出版日期:2024-04-15 发布日期:2023-09-06
通讯作者: 王鹏 E-mail:pwang_cauc@163.com
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB1600601);国家自然科学基金(U2133203);中央高校基本科研业务费(3122022094)

A two-stage degradation model and reliability analysis related to degradation of binary load-sharing systems

Fan ZHANG¹^,², Bohan CHENG³, Peng WANG¹^,²(), Lei DONG¹^,²

^1.Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness Technology，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
^2.Science and Technology Innovation Research Institute，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
^3.College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2023-05-25 Revised:2023-06-23 Accepted:2023-08-04 Online:2024-04-15 Published:2023-09-06
Contact: Peng WANG E-mail:pwang_cauc@163.com
Supported by:
National Key R&D Program(2021YFB1600601);National Natural Science Foundation of China(U2133203);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(3122022094)

摘要/Abstract

摘要：

针对复杂机载系统中二元共载组件退化受退化进程相互作用与负载分担影响的问题，提出了一种考虑退化速率相互作用的两阶段退化模型。首先，研究基于退化速率相互作用的双组件退化依赖性表征方法，建立不考虑负载分担影响的双组件退化相关性模型。其次，考虑负载分担对退化速率的影响，以某一组件失效为变点，将系统退化进程分为2个阶段，构建考虑负载分担影响的双组件退化相关性模型。模型的参数采用极大似然估计法进行估计，并构建系统的可靠性模型与剩余寿命模型。最后，以一航空部件为例进行二元退化相关的共载系统可靠性计算，所提方法为复杂系统二元共载组件退化失效的可靠性分析问题提供支持。

关键词: 退化相关性, 负载分担, 可靠性分析, 蒙特卡洛, 剩余寿命

Abstract:

A two-stage degradation model considering degradation rate interactions is proposed for the degradation of binary load-sharing components in highly complex airborne systems affected by degradation process interactions and load sharing. Firstly， a two-component degradation dependence characterization method based on degradation rate interaction is investigated to establish a two-component degradation correlation model without considering the influence of load sharing. Secondly， considering the influence of load sharing on degradation rate， the system degradation process is divided into two stages with a component failure as a variable point， and a two-component degradation correlation model with the influence of load sharing is constructed. The model parameters are estimated using the great likelihood estimation method， and the reliability model and the remaining life model of the system are constructed. Finally， taking an aviation component as an example， the reliability calculation of the load-sharing system related to binary degradation is carried out， and the proposed method provides support for the reliability analysis of the degradation and failure of binary load-sharing components of complex systems.

Key words: degradation correlation, load sharing, reliability analysis, Monte Carlo, remaining life

中图分类号:

V240.2

张帆, 程伯晗, 王鹏, 董磊. 二元共载系统退化相关的两阶段退化模型及可靠性分析[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 229046-229046.

Fan ZHANG, Bohan CHENG, Peng WANG, Lei DONG. A two-stage degradation model and reliability analysis related to degradation of binary load-sharing systems[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(7): 229046-229046.

图/表 15

图1

图2

图 3

图4

图5

表 1

模型未知参数估计及模型比较

模型	Log-likelihood	AIC	BIC	参数点估计值
M1	56.812 5	-97.625	-92.513	$β 1 = 3.249 β 2 = 2.266 μ 12 = 14.921 μ 21 = 4.607 σ 1 = 0.073 σ 2 = 0.076 β 22 = 4.550 σ 22 = 0.102$
M2	48.166 3	-84.333	-79.697	$β 1' = 2.644 β 2' = 2.056 μ 12' = 21.406 μ 21' = 5.823 σ 1' = 0.109 σ 2' = 0.081$

表 1

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

表2

参考文献 33

1	LIU G H， GUAN Q， TANG Y C， et al. Interval modeling for Gamma process degradation model［J］. Symmetry-Basel， 2022， 14（5）： 954.
2	ZHOU H X， ZHOU C G， WANG X Y， et al. Degradation reliability modeling for two-stage degradation ball screws［J］. Precision Engineering-Journal of The International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology， 2022， 73： 347-362.
3	SHEN L J， WANG Y D， ZHAI Q Q， et al. Degradation modeling using stochastic processes with random initial degradation［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2019， 68（4）： 1320-1329.
4	LIN Y H， DING Z Q. An integrated degradation modeling framework considering model uncertainty and calibration［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022， 166： 108389.
5	CHEN Z， XIA T B， LI Y T， et al. Tweedie exponential dispersion processes for degradation modeling， prognostic， and accelerated degradation test planning［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2020， 69（3）： 887-902.
6	TAMSSAOUE F， NGUYEN K T P， MEDJAHER K， et al. Online joint estimation and prediction for system-level prognostics under component interactions and mission profile effects［J］. ISA Transactions， 2021， 113： 52-63.
7	王新刚，申强，韩凯忠，等. 竞争失效下多元退化建模的航空发动机可靠性分析［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2021， 42（6）： 807-813， 820.
	WANG X G， SHEN Q， HAN K Z， et al. Reliability analysis of aero-engines based on multivariate degradation modeling under competitive failure［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2021， 42（6）： 807-813， 820 （in Chinese）.
8	XU D， XING M L， WEI Q D， et al. Failure behavior modeling and reliability estimation of product based on vine-copula and accelerated degradation data［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2018， 113： 50-64.
9	ZHOU Y， LI S， XIONG N. Improved vine copula-based dependence description for multivariate process monitoring based on ensemble learning［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2019， 58（9）： 3782-3796.
10	PENG W W， LI Y F， MI J H， et al. Reliability of complex systems under dynamic conditions： A Bayesian multivariate degradation perspective［J］. Reliability Engineering and System Safety， 2016， 153： 75-87.
11	ASSAF R， DO P， NEFTI-MEZIANI S， et al. Wear rate-state interactions within a multi-component system： a study of a gearbox-accelerated life testing platform［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part O-Journal of Risk and Reliability， 2018， 232（4）： 425-434.
12	DO P， ASSAF R， SCARF P， et al. Condition-based maintenance for a two-component system with dependencies［J］. IFAC-PapersOnLine， 2015， 48（21）： 946–951.
13	DO P， ASSAF R， SCARF P， et al. Modelling and application of condition-based maintenance for a two-component system with stochastic and economic dependencies［J］. Reliability Engineering and System Safety， 2018， 182： 86-97.
14	KONG X， YANG J， LI L. Reliability analysis for multi-component systems considering stochastic dependency based on factor analysis［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2022， 169： 108754.
15	RASMEKOMEN N， PARLIKAD A K. Condition-based maintenance of multi-component systems with degradation state-rate interactions［J］. Reliability Engineering and System Safety， 2016， 148： 1-10.
16	YANG Z Y. Degradation and reliability modeling of two-component system with degradation rate interaction［J］. International Journal of Performability Engineering， 2018， 14（11）： 2711-2722.
17	BIAN L， GEBRAEEL N. Stochastic framework for partially degradation systems with continuous component degradation-rate-interactions［J］. Naval Research Logistics （NRL）， 2014， 61（4）： 286-303.
18	杨志远，赵建民，程中华. 退化相关多部件系统预防性维修决策模型［J］. 系统工程与电子技术， 2018， 40（4）： 823-832.
	YANG Z Y， ZHAO J M， CHENG Z H. Preventive maintenance decision model of multi-component system with degradation interaction［J］. Systems Engineering and Electronics， 2018， 40（4）： 823-832 （in Chinese）.
19	ZHANG C， ZHANG Y. Common cause and load-sharing failures-based reliability analysis for parallel systems［J］. Eksploatacja i Niezawodnosc-Maintenance and Reliability， 2020， 22（1）： 26-34.
20	XU A C， SHEN L J， WANG B X， et al. On modeling bivariate Wiener degradation process［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2018， 67（3）： 897-906.
21	ZHANG Z C， YANG Y H， JI X J. On stochastic behaviors of load-sharing parallel systems［J］. Communications in Statistics-theory and Methods， 2020， 49（22）： 5392-5405.
22	KRIVTSOV V， AMARI S， GUREVICH V. Load sharing in series configuration［J］. Quality and Reliability Engineering International， 2018， 34（1）： 15-26.
23	ZHAO X， LIU B， LIU Y. Reliability modeling and analysis of load-sharing systems with continuously degrading components［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2018， 67（3）： 1096-1110.
24	杜党波，司小胜，胡昌华，等. 基于随机退化建模的共载系统寿命预测方法［J］.仪器仪表学报， 2018， 39（8）： 53-62.
	DU D B， SI X S， HU C H， et al. Lifetime prognostic for load-sharing system based on stochastic degradation model［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2018， 39（8）： 53-62 （in Chinese）.
25	CHE H Y， ZENG S K， GUO J B. Reliability analysis of load-sharing systems subject to dependent degradation processes and random shocks［J］. IEEE Access， 2017， 5： 23395-23404.
26	GUO J B， SHEN Y G， LU Z P， et al. Reliability modeling for consecutive k-out-of-n： F systems with local load-sharing components subject to dependent degradation and shock processes［J］. Quality and Reliability Engineering International， 2020， 36（5）： 1553-1569.
27	金光. 基于退化的可靠性技术—模型、方法及应用［M］. 北京：国防工业出版社， 2014： 63-84.
	JIN G. Reliability technology based on degradation - models， methods， and applications［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2014： 63-84 （in Chinese）.
28	SI X S， WANG W B， HU C H， et al. Remaining useful life estimation based on a nonlinear diffusion degradation process［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2012， 61（1）： 50-67.
29	张奡，王治华，赵振平，等. 两阶段非线性Wiener过程退化建模与可靠性分析［J］. 系统工程与电子技术， 2020， 42（4）： 954-959.
	ZHANG A， WANG Z H， ZHAO Z P， et al. Two-phase nonlinear Wiener process for degradation modeling and reliability analysis［J］. Systems Engineering and Electronics， 2020， 42（4）： 954-959 （in Chinese）.
30	YAN W A， SONG B W， DUAN G L， et al. Real-time reliability evaluation of two-phase Wiener degradation process［J］. Communications in Statistics-theory and Methods， 2017， 46（1）： 176-188.
31	ZHENG B， CHEN C， LIN Y G， et al. Reliability analysis based on a bivariate degradation model considering random initial state and its correlation with degradation rate［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2022， 72（1）： 37-48.
32	MEEKER W Q， ESCOBAR L A. Statistical methods for reliability data［M］. New York： John Wiley and Sons， 1998： 14.
33	LIU D， SHI J， LIAO Z R， et al. Prognostics and health management for electromechanical system： A review［J］. Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology， 2022， 2（4）： 2022015.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

预测剩余寿命/每百万循环次数	剩余寿命真实值/每百万循环次数	相对误差
0.01	0.082 94	0.047 56
0.02	0.075 73	0.088 90
0.03	0.065 96	0.105 56
0.04	0.057 40	0.146 35
0.05	0.045 75	0.147 54
0.06	0.029 69	0.023 21
0.07	0.019 78	0.039 44
0.08	0.008 79	0.037 50

[1]	龚煜廉, 张建国, 吴志刚, 褚光远, 范晓铎, 黄赢. 主动学习基自适应PC⁃Kriging模型的复合材料结构可靠度算法[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 228982-228982.
[2]	胡润昌, 王子安, 陈永亮, 周大鹏, 杨大鹏, 龚正. 基于L1自适应推力矢量型V/STOL飞行器增稳控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727642-727642.
[3]	李天梅, 司小胜, 张建勋. 多源传感监测线性退化设备数模联动的剩余寿命预测方法[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227190-227190.
[4]	郭宏轩, 孙富强. 加速退化试验测量不确定度评定方法[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 227226-227226.
[5]	刘斌, 许靖, 霍美玲, 崔学英, 谢秀峰, 杨栋辉, 王嘉. 基于多尺度自适应注意力网络的剩余寿命预测[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 226918-226918.
[6]	张帆, 孙紫荆, 肖国松, 刘嘉琛, 王鹏. 基于直觉模糊贝叶斯网络的HUD系统多阶段任务可靠性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 226853-226853.
[7]	杨乐昌, 汪晨星. 基于多源异构信息的航空发动机转子参数校准与可靠性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 228575-228575.
[8]	姜峰, 李华聪, 符江锋, 洪林雄. 基于RBF和主动学习的非概率可靠度求解方法[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 226667-226667.
[9]	任超, 李慧琴, 李天梅, 张建勋, 司小胜. 基于退化模型动态校准的设备剩余寿命预测方法[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 228345-228345.
[10]	冯蕴雯, 林心怡, 薛小锋, 杨祥, 刘佳奇. 高可靠单向爆破的民机防爆结构设计[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 228297-228297.
[11]	杨家鑫, 唐圣金, 李良, 孙晓艳, 祁帅, 司小胜. 基于多源信息的隐含非线性维纳退化过程剩余寿命预测[J]. 航空学报, 2023, 44(12): 227662-227662.
[12]	杨保奎, 张建勋, 李慧琴, 司小胜. 基于Box-Cox变换与随机系数回归模型的非线性退化设备剩余寿命预测方法[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 227660-227660.
[13]	董青, 郑建飞, 胡昌华, 余铜辉, 牟含笑. 考虑随机冲击影响的自适应Wiener过程剩余寿命预测方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 225914-225914.
[14]	陈志远, 李璐祎. 参数不确定性下高效的可靠性灵敏度分析方法[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 325881-325881.
[15]	张晟斐, 李天梅, 胡昌华, 杜党波, 司小胜. 基于深度卷积生成对抗网络的缺失数据生成方法及其在剩余寿命预测中的应用[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225708-225708.

二元共载系统退化相关的两阶段退化模型及可靠性分析

A two-stage degradation model and reliability analysis related to degradation of binary load-sharing systems

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 33

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价