本發(fā)明涉及柴油機(jī)可靠性領(lǐng)域，尤其涉及一種可以提高柴油機(jī)可靠性計(jì)算置信度的機(jī)理和數(shù)據(jù)融合的柴油機(jī)整機(jī)可靠性預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的柴油機(jī)可靠性預(yù)測方法為基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法或基于故障物理的方法?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，需要大量的試驗(yàn)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于樣本數(shù)較少的大功率船用發(fā)動(dòng)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。基于故障物理的方法，采用數(shù)學(xué)模型建立因果關(guān)系，反映客觀物理規(guī)律，但是一些故障影響因素眾多，難以建立準(zhǔn)確的機(jī)理模型，該方法的應(yīng)用也具有局限性。只有將可靠性統(tǒng)計(jì)理論與失效物理模型研究結(jié)合起來，才能更好地認(rèn)識(shí)不確定世界的復(fù)雜性與規(guī)律性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開一種機(jī)理和數(shù)據(jù)融合的柴油機(jī)整機(jī)可靠性預(yù)測方法，本發(fā)明將機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)互相融合來預(yù)測柴油機(jī)整機(jī)可靠性，顯著提高了柴油機(jī)可靠性計(jì)算的置信度；而且此方法不僅能夠得到柴油機(jī)機(jī)理模型的零部件和整機(jī)可靠度，還可以得到與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)融合的柴油機(jī)整機(jī)可靠度。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟：

3、步驟一、基本建模參數(shù)輸入，包括材料屬性參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)；

4、步驟二、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型構(gòu)建，為求解各子系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，聯(lián)立能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程構(gòu)成的微分方程組采用預(yù)報(bào)校正法進(jìn)行求解；

5、步驟三、動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建，以發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型得到的缸壓、溫度等參數(shù)作為邊界條件，各部件的載荷基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算；

6、步驟四、關(guān)鍵部件多樣本的磨損和疲勞計(jì)算，多樣本基于蒙特卡洛算法生成，摩擦副的磨損量基于archard模型計(jì)算，部件的疲勞根據(jù)材料的s-n曲線基于疲勞累計(jì)損傷理論計(jì)算；

7、步驟五、機(jī)理模型的可靠度分析，對(duì)獲得的部件多樣本的磨損和疲勞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各部件的可靠度；進(jìn)一步地，得到整機(jī)機(jī)理模型的可靠度；

8、步驟六、融合統(tǒng)計(jì)模型后的整機(jī)可靠度分析，計(jì)算統(tǒng)計(jì)的部件失效率數(shù)據(jù)的可靠度，與機(jī)理模型計(jì)算得到的可靠度進(jìn)行融合，得到融合后的整機(jī)可靠度。

9、進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟一中，所述材料屬性參數(shù)包括：關(guān)鍵零部件材料的泊松比；材料的彈性模量；材料的硬度；曲軸材料的s-n曲線；連桿材料的s-n曲線；曲軸材料的抗拉強(qiáng)度；連桿材料的抗拉強(qiáng)度；發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)包括放熱率、氣門正時(shí)、沖程、缸徑、壓縮比、氣缸數(shù)、容積數(shù)、閥門數(shù)、發(fā)火順序、轉(zhuǎn)速、功率、各容積大小、連桿比、活塞質(zhì)量、連桿質(zhì)量、曲柄不平衡質(zhì)量、連桿長度、連桿質(zhì)心到連桿大端中心的距離、曲柄旋轉(zhuǎn)角速度、曲柄半徑、活塞直徑、主軸頸中截面到最近一側(cè)曲柄臂中截面的距離、曲柄臂寬度、曲柄臂厚度、曲柄銷截面直徑、主軸頸截面直徑、桿身截面積、關(guān)鍵摩擦副接觸長度、關(guān)鍵摩擦副零部件磨損系數(shù)、關(guān)鍵摩擦副裝配間隙、關(guān)鍵摩擦副的更換極限間隙。

10、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟二中，所述能量守恒方程為：

11、

12、式中：表示曲軸轉(zhuǎn)角，單位為deg；mz表示工質(zhì)的質(zhì)量，單位為kg；uz為缸內(nèi)工質(zhì)的比內(nèi)能，單位為j/kg；min為進(jìn)氣質(zhì)量，單位為kg；hi為進(jìn)氣的比焓，單位為j/kg；qf為噴入氣缸的燃油帶來的熱量，單位為j；qw為傳熱散失的能量，單位為j；mo為排氣質(zhì)量，單位為kg；ho為排氣的比焓，單位為j/kg；pz為子系統(tǒng)內(nèi)壓力，單位為pa；vz為子系統(tǒng)內(nèi)容積，單位為m3；

13、所述質(zhì)量守恒方程為：

14、

15、式中：表示曲軸轉(zhuǎn)角，單位為deg；mz表示工質(zhì)的質(zhì)量，單位為kg；min為進(jìn)氣質(zhì)量，單位為kg；mo為排氣質(zhì)量，單位為kg；gf為燃油質(zhì)量，單位為kg；x為氣缸內(nèi)燃料燃燒百分?jǐn)?shù)；

16、所述理想氣體狀態(tài)方程表示為：

17、pzvz＝mzrztz

18、式中：pz為子系統(tǒng)內(nèi)壓力，單位為pa；vz為子系統(tǒng)內(nèi)容積，單位為m3；mz表示工質(zhì)的質(zhì)量，單位為kg；tz為缸內(nèi)溫度，單位為k；rz為工質(zhì)的氣體常數(shù)，單位為j/(kg·k)。

19、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟三中，所述各部件的載荷可表示為：

20、

21、

22、

23、式中：f∑為沿氣缸中心線連桿小端上的作用力，可以分解為活塞側(cè)向力fng及連桿推力fc，單位均為n；連桿推力fc可以進(jìn)一步分解為沿曲柄方向的法向力fr和垂直于曲柄方向的切向力ft，單位均為n；fp為曲柄銷處的作用力，單位為n；fk為主軸頸處作用力，單位為n；mp，mc和mk分別表示為活塞質(zhì)量、連桿質(zhì)量和曲柄不平衡質(zhì)量，單位均為kg；連桿質(zhì)量常等效為兩部分，分別為往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分mca及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分mcb，單位均為kg；fg表示為活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)受到周期性變化的氣體壓力，單位為n；lcb為連桿質(zhì)心到連桿大端中心的距離，單位為m；l為連桿大小端中心的距離，單位為m；ω為角速度，單位為rad/s；r為曲柄半徑，單位為m；β為連桿擺角，為曲柄轉(zhuǎn)角，單位均為deg；λ為曲柄半徑與連桿長度比；dp為活塞直徑，單位為m；mr表示集中曲柄銷處并隨曲柄作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的總質(zhì)量，單位為kg，可被表示為：

24、mr＝mk+mcb

25、式中：mk和mcb分別為曲柄不平衡質(zhì)量和連桿回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量，單位均為kg。

26、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟四中，所述采用蒙特卡洛算法生成樣本，是通過考慮計(jì)算柴油機(jī)損傷受到的材料性能、制造裝配、外部載荷等不確定性因素的影響，確定這些不確定性參數(shù)的分布函數(shù)，生成一系列隨機(jī)數(shù)，對(duì)這些隨機(jī)數(shù)進(jìn)行變換得到對(duì)應(yīng)概率分布函數(shù)的樣本，代入到對(duì)應(yīng)的不確定性參數(shù)，對(duì)每個(gè)不確定性參數(shù)生成相應(yīng)分布函數(shù)的大量隨機(jī)樣本。

27、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟四中，所述archard磨損模型中關(guān)鍵摩擦副零部件磨損深度可表示為：

28、

29、式中：h為磨損深度，單位為m；l為摩擦副滑移距離，單位為m；k為無量綱的磨損系數(shù)；h為材料布氏硬度，單位為hbw；p為接觸應(yīng)力，單位為pa，可被表示為：

30、

31、式中：f為法向接觸壓力，單位為n；s為接觸面積，單位為m2。

32、磨損損傷表示為：

33、

34、式中：dw表示磨損損傷，單位為1；t表示時(shí)間，單位為h；h和hc分別為磨損深度和臨界磨損深度，單位均為mm。

35、當(dāng)磨損損傷達(dá)到1時(shí)，部件失效。

36、其中，特別針對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損導(dǎo)致氣缸密封性下降從而造成的氣缸內(nèi)介質(zhì)泄漏，反饋到對(duì)性能模型的計(jì)算分析上。

37、所述疲勞損傷，其對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)表示為：

38、lgn＝a+blgσ-1

39、式中：n為該應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的失效循環(huán)次數(shù)，單位為1；σ-1表示材料在應(yīng)力比為-1的對(duì)稱加載下的應(yīng)力幅，單位為mpa；a和b為材料常數(shù)，根據(jù)材料的s-n曲線獲得。由于部件受到的力為非對(duì)稱加載力，因此用s-n曲線計(jì)算疲勞壽命時(shí)，通常先采用goodman公式進(jìn)行修正平均應(yīng)力的影響，goodman公式表示為：

40、

41、式中：σb為材料的抗拉極限，σm與σa分別為實(shí)際工況下的應(yīng)力均值和應(yīng)力幅，σ-1為應(yīng)力比為-1時(shí)的應(yīng)力幅值，單位均為mpa。

42、疲勞損傷為累加所有應(yīng)力水平下的損傷，表示為：

43、

44、式中：dj表示疲勞損傷，單位為1；t表示時(shí)間，單位為h；ni表示部件在應(yīng)力幅σi下已經(jīng)完成了ni次循環(huán)，單位為1；ni表示部件在此應(yīng)力幅下能承受的總循環(huán)次數(shù)，單位為1；m表示不同的應(yīng)力幅個(gè)數(shù)，單位為1；當(dāng)疲勞損傷達(dá)到1時(shí)部件失效。

45、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟五中所述統(tǒng)計(jì)分析得到各部件的可靠度，計(jì)算原理表示為：

46、

47、式中：t表示時(shí)間，單位為h；n表示為樣本總數(shù)，di表示為第i個(gè)樣本的損傷，表示為第j個(gè)部件在t時(shí)刻的可靠度，單位均為1；i(x)為指示函數(shù)，表示為：

48、

49、所述整機(jī)機(jī)理模型的可靠度，可表示為：

50、

51、式中：t表示時(shí)間，單位為h；p{dp(t)＜1}為整機(jī)機(jī)理模型在t時(shí)刻的可靠度，j表示第j個(gè)部件，表示為第j個(gè)部件在t時(shí)刻的可靠度，單位均為1。

52、更進(jìn)一步地，在本發(fā)明步驟六中，所述計(jì)算統(tǒng)計(jì)的部件失效率數(shù)據(jù)的可靠度，對(duì)于可靠性試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定失效率的通用部件，如一些密封件和通用件，可以認(rèn)為這些部件的失效數(shù)據(jù)是在關(guān)鍵部件正常運(yùn)行的條件下獲得的，并且假定這些部件的失效相互獨(dú)立，這些部件的可靠度表示為：

53、

54、式中：t表示時(shí)間，單位為h；dp(t)和dd(t)分別為損傷向量dp(t)和dd(t)的某種范數(shù)，可表示為：

55、dp(t)＝||dp(t)||

56、dd(t)＝||dd(t)||

57、式中：dp(t)表示由機(jī)理模型計(jì)算的一部分部件的損傷，為隨時(shí)間變化的隨機(jī)向量；dd(t)表示由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得的另一部分部件的損傷，也為隨時(shí)間變化的隨機(jī)向量；p{ddk(t)＜1}為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的第k個(gè)部件的可靠度，單位為1，可被表示為：

58、

59、式中：k表示為由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的第k個(gè)部件，單位為1；t表示t時(shí)刻，η表示η時(shí)刻，ξ表示ξ時(shí)刻，單位均為h；λk(η)為第k個(gè)部件η時(shí)刻的瞬時(shí)失效率，單位為h-1。

60、所述融合后的整機(jī)可靠度，計(jì)算原理表示為：

61、r(t)＝p{dp(t)＜1,dd(t)＜1}＝p{dp(t)＜1}p{dd(t)＜1|dp(t)＜1}

62、式中：r(t)為機(jī)理和數(shù)據(jù)融合后的整機(jī)可靠度，單位為1；t表示t時(shí)刻，單位為h；dp(t)和dd(t)分別為損傷向量dp(t)和dd(t)的某種范數(shù)，可表示為：

63、dp(t)＝||dp(t)||

64、dd(t)＝||dd(t)||

65、式中：dp(t)表示由機(jī)理模型計(jì)算的一部分部件的損傷，為隨時(shí)間變化的隨機(jī)向量；dd(t)表示由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得的另一部分部件的損傷，也為隨時(shí)間變化的隨機(jī)向量。

66、在本發(fā)明步驟二中，能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程針對(duì)各子系統(tǒng)的容積建立，考慮了每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下狀態(tài)參數(shù)的變化，采用預(yù)報(bào)校正法求解。在步驟三中，基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型并求解各部件的載荷。在步驟四中，基于動(dòng)力學(xué)得到的部件載荷作為邊界條件，基于archard模型計(jì)算摩擦副的磨損量，基于材料的s-n曲線和疲勞累計(jì)損傷理論計(jì)算部件的疲勞，以蒙特卡洛算法對(duì)磨損模型和疲勞模型中的不確定性參數(shù)生成相應(yīng)分布的樣本。在本發(fā)明步驟五中，統(tǒng)計(jì)分析多樣本的磨損和疲勞損傷得到部件和整機(jī)機(jī)理模型的可靠度。在本發(fā)明步驟六中，從統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)數(shù)據(jù)得到部件統(tǒng)計(jì)模型的可靠度，與機(jī)理模型融合后得到整機(jī)可靠度。

67、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果為：相較于傳統(tǒng)的柴油機(jī)可靠性預(yù)測方法，本方法具有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。其一，本方法針對(duì)柴油機(jī)實(shí)時(shí)可靠性建模，并可綜合考慮活塞環(huán)實(shí)時(shí)磨損量與性能之間的耦合關(guān)系。其二，本方法不僅關(guān)注柴油機(jī)部件的機(jī)理模型，更可融合先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型。本發(fā)明將機(jī)理模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)互相融合來預(yù)測柴油機(jī)整機(jī)可靠性，顯著提高了柴油機(jī)可靠性計(jì)算的置信度。