基于马尔可夫更新过程的多阶段冲击退化及自愈系统可靠性分析

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可靠性理论中,关于损害的研究始终是热点,本文针对冲击、退化损害间的依赖性以及损害的自愈现象,主要有如下两方面内容:一方面,作为常见损害中的两个大类,随机冲击(例如突然的机械应力、温度、电力负载冲击)和系统退化(例如磨损、腐蚀)普遍同时存在于许多系统中,且二者间广泛存在着相互依赖性,从而系统表现出许多阶段性特征。本文提出全新的n阶段随机冲击和m阶段系统退化的复合模型(模型1),有效分析了二者间的依赖性和阶段性在可靠性建模中的影响,对提高现有的冲击、退化模型精度具有重大意义。同时,模型1可作为已有的二阶段冲击或二阶段退化模型的扩展,描述了一种更加广义的冲击和退化过程间的相互依赖关系,即二者同时对系统损害累积过程产生贡献,进而导致系统状态的改变,而状态转移又反馈性地影响接下来系统面临的随机冲击和退化过程的各个方面,例如冲击到达过程强度、单次冲击损害量以及退化率等。此外,文中讨论了当前主流的几种退化模型在该多阶段冲击退化复合模型中的应用方法,如线性退化、伽马退化和逆高斯退化。另一方面,在工程、材料领域中,越来越多的研究将焦点放到了损害自愈上,某种程度上,系统的损害自愈能力反映出系统更高的智能与自动化水平,具有延长系统寿命和降低人工干预等明显的优点。显然,损害自愈会对自愈系统的损害累积产生显著影响,从而影响系统的寿命、可靠性以及维修策略,因此在自愈系统的可靠性建模中考虑自愈机制的影响对模型精度的提高很有意义。而目前自愈系统相关的可靠性理论较少,随着自愈系统的快速发展,有关各种自愈机制的可靠性建模有待进一步开发,该领域中的研究需求量大,创新性高。基于实际案例知,由于能量和质量的守恒,自愈系统在无外界干预下,自愈机制往往是有限的。为了描述这种限制,研究这种限制产生的影响,本文引入了新变量——损害恢复总量,这与系统当前损害累积量构成了自愈机制的竞争失效(模型2),即二者其中之一达到预设阈值则视为系统自愈机制失效,此后系统损害只累积不恢复,系统仍可能工作一段时间直到完全损坏。该模型通过构建二维状态空间,巧妙的解决了追踪同一损害过程中的两个相依变量。针对上述两方面内容,本文通过状态离散法,构建了马尔可夫更新过程,得到了半马尔可夫核的解析表达。通过拉普拉斯变换及其数值反演可顺利解出更新方程组,由此给出上述两个课题下多个可靠性指标的封闭解。最后通过数值算例,补充说明了本文所建模型的具体应用和所得结论有效性。
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