渐变阈值下机械产品的可靠性设计

产品阈值的变化直接影响产品的性能和质量评价，本书提出渐变阈值的概念，详细阐述了阈值的渐变特性和竞争失效机理，给出了冲击阈值与性能退化阈值之间的数学关系。充分利用产品监测的退化数据，同时丰富现有的冲击类型，开展了渐变阈值下机械产品竞争失效的可靠性评估方法研究，解决了传统阈值为固定值或离散型分段函数下对产品可靠性高估的问题，进一步完善了产品可靠性评估理论体系。
本书适合作为高校硕士研究生和博士研究生的专业教材，也可作为相关专业科研工作者的技术参考书。

1.研究方向专业
2.数据、公式、计算内容全面，案例丰富

随着科学技术的发展，众多行业产品都呈现出高可靠、长寿命、小子样的特点。传统的加速寿命实验只能获得少量的产品失效数据甚至无失效数据，这给产品可靠性技术带来极大的挑战。基于性能退化数据的可靠性分析方法克服了这种局限性，成为目前可靠性领域的重点和热点研究内容之一。然而判断产品性能退化的一个关键指标就是阈值，阈值的变化直接影响到产品的性能和质量评价。目前对于阈值的确定，都是通过理论经验和试验给出某一个固定值、随机变量或分段函数。实际上随着产品性能逐渐退化，其自身鲁棒性会下降，这将影响到冲击带给自然退化过程累积增量的效果，以及基于冲击强度对其分类的阈值的变化。这些阈值大都呈现逐渐递减的变化趋势，所以不考虑阈值的变化特性会高估产品的可靠性，带来不安全因素。同时，目前产品性能退化大多呈现出非单一性能、非线性的多性能退化过程，这也使得产品的实际失效数据很难获得，而且有些监测数据不能直接表示退化状态，如振动信号、声发射信号、油液分析数据等，这给产品可靠性分析带来了一定困难。其次，阈值的变化影响了产品性能的评价，传统单一或多元性能指标衡量产品的性能退化程度已不符合实际需求。
为了准确评估产品可靠性水平，本书以“十四五”国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目为背景，深入研究了在考虑阈值渐变特性的情况下，充分利用产品直接、间接退化数据来进行多性能联合退化过程下的产品可靠性分析方法，为由于失效数据少、不宜获取和产品样本少等因素带来的可靠性评估不准确提供理论和技术支撑。详细阐述了由于现有冲击类型不够丰富和冲击失效阈值的渐变性导致传统冲击失效模型对产品可靠性评估不准确的原因和机理，深入研究在阈值的渐变特性下，明确自然退化过程和冲击过程的相互作用机理，建立考虑渐变阈值下的产品竞争失效过程的可靠性估计模型，弥补传统模型的不足。使产品可靠性预测模型更加符合实际工况，具有一定的工程应用和推广价值，完善机械产品竞争失效可靠性理论体系。
借此书出版之际，首先感谢广东石油化工学院、东北大学、电子科技大学和西安交通大学等单位的领导和同仁对本书给予的支持和鼓励，特别是同行专家的专业指导意见给了我深深的启迪，令我受益匪浅。同时我的学生杨禄杰、张鑫垚、马瑞敏、韩凯忠、李林和申强参与了本书部分内容的编写和校对工作。在此，谨向对本书给予帮助的专家同仁表示真诚的感谢和深深的敬意。
另外，向多年来一直给予我无限关怀和恩情的父母致以最衷心的感谢，您们的支持给予了我无穷的动力和信心；特别感谢我的妻子对我无微不至的关心和默默的支持，给予了我不断进取的信心和力量。也要感谢我的两个女儿王思涵、王墨涵，是她们给我带来了生活的无穷快乐。
本书的出版得到了广东石油化工学院人才引进项目(No.2020rc034)、广东省普通高校重点领域专项项目(No.2022ZDZX3013)、省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室开放课题(No.JMDZ2021012)、福建省自然科学基金项目(No.2022J01527)、河北省自然科学基金项目(No.E2020501013)和中国空间技术研究院项目(No.CASTBISEE2019019)的大力支持，在此一并表示感谢。
为了方便读者对实验的图形图像有更直观的理解，我们把全书的插图汇总归纳，制作成二维码，放于封底，有兴趣的读者可扫码查看。
由于作者的水平有限，书中难免有疏漏或不妥之处，恳请各位专家学者批评指正。

王新刚

第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1基于退化量分布可靠性的发展及研究现状2
1.2.2基于退化轨迹可靠性的发展及研究现状3
1.2.3基于随机过程的发展及研究现状4
1.2.4基于竞争失效的可靠性发展及研究现状5
1.2.5国内外研究中存在的主要问题7
1.3主要研究内容9

第2章性能退化理论及试验数据处理12
2.1概述12
2.2性能退化12
2.2.1失效模式分析14
2.2.2退化数据16
2.2.3退化量的统计模型18
2.2.4退化失效模型19
2.3性能退化试验20
2.3.1退化量选取与数据结构21
2.3.2常应力退化试验22
2.3.3加速退化试验22
2.3.4加速退化因子23
2.3.5加速退化方程模型23
2.4基于性能退化数据的变阈值分析方法与参数估计24
2.4.1基于性能退化数据的变阈值分析方法24
2.4.2常见的待估计参数与估计方法25
2.5基于最大似然法的随机过程模型参数估计26
2.5.1维纳过程相关参数的最大似然估计27
2.5.2伽马过程参数的最大似然估计28
2.6基于矩估计法的退化轨迹模型参数估计30
2.6.1矩估计法介绍30
2.6.2退化轨迹模型参数的矩估计31
2.7基于最小二乘法的退化轨迹模型参数估计33
2.7.1实例背景简介35
2.7.2基于随机过程模型的可靠度仿真分析36
2.7.3基于退化轨迹模型可靠度仿真分析37
2.7.4仿真结果对比39
2.8本章小结40

第3章单性能参数退化的可靠性设计41
3.1概述41
3.2基于退化量分布的可靠性建模42
3.2.1正态型退化分布模型42
3.2.2威布尔型退化分布模型44
3.3基于退化轨迹的可靠性建模46
3.4基于随机过程的可靠性建模49
3.5算例分析51
3.5.1基于退化量分布的可靠性算例51
3.5.2基于退化轨迹的可靠性算例54
3.5.3基于随机过程的可靠性算例57
3.6竞争失效可靠性分析59
3.6.1突发失效模型59
3.6.2退化失效模型59
3.6.3竞争失效模型60
3.7模型参数估计61
3.7.1突发失效模型64
3.7.2退化失效模型66
3.7.3竞争失效模型66
3.8本章小结69

第4章多性能参数退化的竞争失效分析71
4.1概述71
4.2基于多元退化分布模型72
4.3基于多元Gamma随机过程模型75
4.4算例分析77
4.4.1基于多元正态分布模型的实例分析78
4.4.2基于多元Gamma随机过程模型的实例分析82
4.5本章小结83

第5章基于刚度退化的刀架振动传递路径系统可靠性84
5.1动力伺服刀架振动传递路径系统模型建立84
5.1.1振动传递路径理论和基础84
5.1.2动力伺服刀架振动传递路径模型建立85
5.2刚度退化理论与退化模型的建立87
5.2.1刚度累积损伤理论与基础87
5.2.2退化模型的建立88
5.3考虑刚度退化的振动传递路径系统模型建立89
5.4随机有限元法求解系统传递可靠度90
5.4.1随机结构特征值分析的随机有限元法90
5.4.2系统可靠性分析92
5.4.3可靠度数值计算93
5.5蒙特卡洛法验证分析94
5.5.1蒙特卡洛法可靠度数值计算95
5.5.2对比验证分析95
5.6本章小结96

第6章刀架振动传递路径系统的稳健优化设计98
6.1可靠性灵敏度概述98
6.2可靠性灵敏度分析常用方法99
6.2.1基于二阶矩技术的可靠性灵敏度分析100
6.2.2基于Monte Carlo法的可靠性灵敏度分析103
6.3系统可靠性灵敏度分析105
6.4稳健优化设计概述109
6.5稳健优化设计方法110
6.5.1设计变量的选取111
6.5.2目标函数的确定111
6.5.3约束条件的确定113
6.5.4构建数学模型113
6.6基于频率变化和时变的灵敏度优化设计114
6.7结果分析116
6.8本章小结117

第7章考虑突发失效阈值变化的产品可靠性设计119
7.1概述119
7.2冲击模型120
7.2.1极值冲击模型120
7.2.2运行冲击模型120
7.2.3δ冲击模型121
7.3两种失效模式下产品的可靠性分析122
7.3.1性能退化失效模型122
7.3.2突发失效模型123
7.4极值冲击和运行冲击下产品的可靠度124
7.4.1极值冲击下的可靠度124
7.4.2运行冲击下的可靠度126
7.5基于两种冲击模型的算例分析127
7.5.1基于极值冲击的产品可靠性分析128
7.5.2基于运行冲击的产品可靠性分析129
7.6考虑突发失效阈值离散变化的可靠性分析130
7.6.1外界冲击载荷的多样性分析130
7.6.2突发失效模型131
7.6.3产品可靠性建模132
7.7考虑突发失效阈值连续变化的可靠性分析133
7.7.1突发失效模型133
7.7.2产品可靠性建模134
7.8算例分析136
7.8.1突发失效阈值离散变化下的可靠性分析137
7.8.2突发失效阈值连续变化下的可靠性分析138
7.9本章小结140

第8章考虑冲击载荷大小和时间间隔的产品可靠性设计141
8.1概述141
8.2外界冲击载荷的描述141
8.2.1外界冲击载荷大小的描述141
8.2.2外界冲击载荷时间间隔的描述142
8.3不考虑冲击时间间隔下产品可靠性模型143
8.3.1系统描述143
8.3.2突发失效模型144
8.3.3性能退化失效模型144
8.3.4产品可靠性建模145
8.4考虑冲击时间间隔下的产品可靠性模型147
8.4.1突发失效模型147
8.4.2产品可靠性建模147
8.5实例分析148
8.6本章小结150

第9章基于退化轨迹和随机过程的变失效阈值可靠性设计152
9.1概述152
9.2系统描述与模型建立154
9.2.1基于极值冲击损伤的竞争失效模型154
9.2.2考虑密集冲击的delta冲击的竞争失效模型156
9.3复杂冲击过程下产品可靠度分析模型推导157
9.3.1基于极值冲击损伤的竞争失效模型推导157
9.3.2考虑密集冲击的delta冲击竞争失效模型推导163
9.4算例分析168
9.4.1算例背景介绍168
9.4.2算例结果分析169
9.5系统描述与产品失效过程分析173
9.5.1系统描述173
9.5.2基于随机过程模型的失效模型分析173
9.6基于随机过程模型的三阶段可靠度分析模型建立176
9.7数值算例与仿真179
9.8本章小结186

第10章结论与展望187
10.1结论187
10.2展望189

参考文献191