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可靠性作为产品的重要指标越来越受到人们重视,但如何对雷达机电系统开展合理的可靠性分析及评价仍然面临着诸多难题。其关键问题主要包括对复杂服役环境及其不确定性的正确描述、系统多状态性、零部件失效相关性的正确建模、基于退化(耗损)机理的结构动态可靠性的正确计算、可靠性敏感因素的正确识别、可靠性试验与仿真对真实服役环境及失效模式的再现等。传统的可靠性分析方法主要源于电子产品的可靠性研究,而机电系统在故障机理、模式、特性以及装配联接等方面都不同于电子产品,常规的“二态”和“相互独立”假设不再成立。因此,雷达机电系统可靠性问题需要以系统科学的思想方法,应用多学科知识,探索和研究新的可靠性分析及评价技术。 基于上述考虑,本文以典型雷达机电系统为研究对象,采用多态和动态可靠性分析理论开展雷达机电系统可靠性建模、仿真、分析与评价技术研究。主要研究内容及取得的成果如下: (1)提出了雷达机电系统多层级可靠性模型构建方法和可靠性冗余分配算法 雷达机电系统是典型的电子、机械、控制集成系统,由结构件、电子元件、控制元件、电气设备等单元组成,每个单元在系统中的地位和作用各不相同,对系统可靠性的影响程度也各异。因此,为了方便设计师更有效地识别系统薄弱环节和开展可靠性优化设计工作,在建立系统可靠性模型时,更合理的处理方式是区别对待每个单元及其影响因素。基于上述考虑,本文利用可靠性框图和层次分析法,对雷达机电系统进行分层结构化处理,建立多层级可靠性评价体系,提出基于权重系数的多层级可靠性模型构建方法,构建能够反映不同零件重要程度的系统可靠性模型。通过实例分析,验证了该方法的合理性和有效性。 面对高可靠性要求,雷达机电系统在设计时存在如何平衡研发成本、系统重量和体积限制要求、合理分配可靠性指标等问题。因此,本文提出基于改进的粒子群混合优化算法,充分发挥粒子群算法和遗传算法在局部搜索和全局搜索的优势。案例分析结果表明,该算法具有较强的全局寻优能力,实现了大规模复杂机电系统可靠性指标的优化分配。 (2)提出了基于动态贝叶斯网络的多态系统可靠性分析方法 传统可靠性理论建立在经典概率理论和二态假设基础之上,认为系统及其零部件只有“正常”或“故障”两种状态,不能体现部件性能与系统性能的关系、系统可靠性与系统性能的关系,缺乏面向雷达机电系统的多态可靠性建模和评估的能力。针对上述问题,本文提出了基于动态贝叶斯网络的机电系统多态可靠性分析方法。该方法从功能分析出发,应用结构化分析技术得到机电系统的功能动作和相应的功能需求,完成系统功能网的构建;然后利用故障模式及影响分析技术对相应的功能和需求进行潜在故障分析,完成故障网的构建和多状态的定义;最后,将故障网映射到功能网,并转化为动态贝叶斯网络模型,通过动态贝叶斯网络的双向推理进行系统的可靠性分析和薄弱环节的识别。 (3)提出了基于上穿理论的结构动态可靠性建模方法 雷达机械结构在环境载荷持续作用下损伤不断加剧,材料性能逐渐劣化,工作应力状态呈现动态演变特征,存在磨损、疲劳、腐蚀等渐变失效模式,从而导致动态可靠性模型难以构建、瞬态失效概率和累积失效概率难以计算等问题。针对上述问题,本文将确定性有限元法、随机分析理论和多态可靠性理论结合,提出了结构通用多态可靠性分析技术,该技术能够合理反映机械零件失效的渐变特征,能够有效地计算零部件不同失效程度的概率。并在广义“应力-强度”干涉理论基础上,分析了腐蚀、疲劳和磨损的退化机理,提出基于上穿理论的结构动态可靠性建模方法。将动态可靠性计算问题转化为瞬态失效和累积失效问题,考虑相邻时刻失效相关性,通过基于上穿率的累积失效概率的计算,实现结构动态可靠度计算。 (4)开发了雷达机电系统可靠性分析与评价软件原型系统 基于上述理论研究,开发“地面雷达机械结构可靠性分析及评价软件”和“地面雷达机电系统多态可靠性分析软件”,然后集成在统一界面下,形成“地面雷达机械系统可靠性分析和评价软件”原型系统。该系统可直接应用于雷达机电系统的方案设计、详细设计环节以及在役雷达机电系统的维护环节。