【正文】 產(chǎn)品可靠性與質(zhì)量專業(yè)。1962年9月，美國羅姆航空研發(fā)中心和伊利諾斯工藝究所共同起，在芝加哥召開了第一屆際電子學(xué)故障物理討論會，會上“故障物理”作為一門新學(xué)科被正式提出。由此，近年來故障物理方法越來越受到廣泛關(guān)注。而故障物理（Physics of Failure, PoF）方法通過研究產(chǎn)品在各種應(yīng)力下發(fā)生失效的內(nèi)原因及機理科學(xué)，預(yù)測產(chǎn)品壽命或可靠性水平。上述方法基于二元邏輯和概率統(tǒng)計，在工程實踐中見效較快，也在國內(nèi)外國防業(yè)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用[10][11]。到60年代也開始重視非電子系統(tǒng)（包括機械、電子系統(tǒng)中的機械部分）的可靠性研究[9]。對機電產(chǎn)品的可靠性研究早已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。而按國內(nèi)的工藝水平，電子系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的故障也占50%以上[7]。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 機電系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀機電系統(tǒng)是電子、機械、控制理論等有機結(jié)合的電子設(shè)備或系統(tǒng)的總稱[1]，機電系統(tǒng)存在的范圍較廣，例如雷達天線及其伺服系統(tǒng)、飛機、衛(wèi)星等發(fā)射系統(tǒng)等。因此，希望通過本論文的研究，提出一套機電系統(tǒng)可靠性仿真分析方法，逐層解決基于故障機理的機電系統(tǒng)性能可靠性仿真模型中的MultiDiscipline，MultiUncertainty，MultiLevel 及MultiScale仿真問題，綜合提高性能可靠性設(shè)計分析技術(shù)的效率和精度，降低仿真成本。l 多時間尺度：進行機電系統(tǒng)長周期退化仿真中還要同步考慮短時刻的性能可靠性，短時刻連續(xù)變量擾動效應(yīng)會影響長周期系統(tǒng)單元失效或加速退化過程，相反長周期的離散單元失效事件和連續(xù)退化也會破壞系統(tǒng)過程變量的擾動規(guī)律。l 多空間尺度：機電系統(tǒng)向微型化方向發(fā)展，微觀領(lǐng)域表現(xiàn)出來的尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、隧道效應(yīng)遠遠超出宏觀物理規(guī)律范疇，宏觀下的機電系統(tǒng)的失效模式、失效機理和失效分析不能完全解釋和指導(dǎo)微系統(tǒng)的可靠性研究。在混合模型仿真分析中，上層離散行為動態(tài)變化緩慢，而底層連續(xù)模型的動態(tài)特性卻要求快速變化，頂層離散事件的發(fā)生時間和底層連續(xù)運行過程的采樣時間通常相差數(shù)個數(shù)量級，由此帶來如何高效引導(dǎo)混合系統(tǒng)仿真問題。如何較好地表征與量化模型中其他不確定因素，及包含綜合不確定性的抽樣方法仍有待進一步研究。2）多種不確定性（MultiUncertainty）量化困難：在該模型體系中，存在各種不確定性，如物理不確定性、統(tǒng)計不確定性及模型不確定性等。具體體現(xiàn)在：1）多專業(yè)（MultiDiscipline）聯(lián)合仿真：機電系統(tǒng)涉及機、電、液、控、熱多個專業(yè)領(lǐng)域，耦合關(guān)系十分復(fù)雜。由此，提出基于故障機理的機電產(chǎn)品性能可靠性設(shè)計分析技術(shù)，其基本思想為：通過研究機電產(chǎn)品的故障物理行為，及短周期環(huán)境參數(shù)、設(shè)計參數(shù)等多種不確定性擾動引起的性能漂移等軟故障，建立離散行為（元件故障、結(jié)構(gòu)變化等）與連續(xù)過程（性能漂移、退化等）共存的可靠性與性能一體化仿真模型，并在此基礎(chǔ)上進行可靠性仿真分析與設(shè)計優(yōu)化，進而為實現(xiàn)“將可靠性設(shè)計到產(chǎn)品中去”這個理念提供技術(shù)手段[3][4]。由于機電單元逐漸向微尺寸方向發(fā)展，機電液控?zé)狁詈详P(guān)系更加復(fù)雜，載有的物理過程更趨極端，同時諸多不確定性因素愈加惡劣的影響使得性能退化與故障行為也更加多樣且表現(xiàn)出較大的分散性。可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院博士學(xué)位論文開題報告論文題目：學(xué)科專業(yè)：研究方向：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：報告日期： 目 錄可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 I博士學(xué)位論文開題報告 I一 論文選題依據(jù) 11. 論文選題的意義 12. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 2 機電系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀 2 不確定性分析及量化方法 5 系統(tǒng)可靠性仿真分析算法 8 分析與總結(jié) 17二 論文研究方案 201. 研究目標(biāo)及研究內(nèi)容 20 研究目標(biāo) 20 研究內(nèi)容 202. 擬解決的關(guān)鍵問題 213. 擬采取的研究方法和技術(shù)路線 224. 可行性分析 255. 可能的創(chuàng)新之處 25三 預(yù)期達到的目標(biāo)和研究成果 26四 論文工作計劃 26主要參考文獻 27開題報告—一 論文選題依據(jù)1. 論文選題的意義隨著現(xiàn)代武器裝備向微型化、復(fù)雜化和精密化方向發(fā)展，諸如核電站、航空航天等安全關(guān)鍵系統(tǒng)在十分惡劣的環(huán)境下工作，需滿足高性能要求并實現(xiàn)安全可靠地運行。其中，機電單元作為此類安全系統(tǒng)的重要組成部分，其壽命和可靠性是制約整機壽命和可靠性水平的重要因素之一，越來越受到性能、可靠性設(shè)計分析人員的重視。因此，同步考慮系統(tǒng)性能要求與產(chǎn)品故障動態(tài)發(fā)生、發(fā)展物理過程，研究并保證此類系統(tǒng)在這些不確定因素影響下而失效的可能性降至最低程度具有重要的現(xiàn)實意義，也是目前機電產(chǎn)品研制開發(fā)中對可靠性工程的一個迫切要求[1][2]。其中，可靠性仿真分析作為該項技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，提高仿真分析效率、降低整個設(shè)計分析成本，是目前該項技術(shù)迫切需要解決的問題關(guān)鍵所在。以往對單學(xué)科專業(yè)指標(biāo)的分析技術(shù)，已經(jīng)不能滿足用戶對產(chǎn)品設(shè)計總體指標(biāo)的權(quán)衡和評價，對性能指標(biāo)的聯(lián)合仿真變得尤為重要，這就要求不同學(xué)科領(lǐng)域模型數(shù)據(jù)流能夠進行有效交互，并綜合考慮不同學(xué)科間故障的耦合關(guān)系。隨機性并不能囊括所有的不確定因素。3）離散故障行為與連續(xù)過程（MultiLevel）共存：該模型體系是一種由底層連續(xù)過程驅(qū)動上層離散狀態(tài)變化、上層離散狀態(tài)引導(dǎo)底層連續(xù)過程的混合模型。4）多尺度（MultiScale）可靠性仿真：主要體現(xiàn)在跨空間尺度和時間尺度。另一方面，微觀范圍內(nèi)的材料結(jié)構(gòu)變化（如晶粒結(jié)構(gòu)與分布）也會對宏觀失效行為產(chǎn)生影響。這就存在一個長短周期交互仿真問題。并以兩種典型機電產(chǎn)品—射流管電液伺服閥（宏觀領(lǐng)域，機電液控耦合）與微開關(guān)（微觀領(lǐng)域，機電熱控耦合）為應(yīng)用案例對本文研究方法進行應(yīng)用驗證。國外有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明[5][6]，航空航天類系統(tǒng)的故障有40%屬于電子系統(tǒng)，另外有60%屬于機電系統(tǒng)。由此可見，開展機電系統(tǒng)的可靠性研究對提高航空航天類安全關(guān)鍵系統(tǒng)可靠性水平具有重要意義。國外可靠性工程早期主要研究電子系統(tǒng)的可靠性問題，如1962年頒布的MILSTD217《電子設(shè)備可靠性手冊》，1963年頒布的MILSTD781《可靠性試驗、指數(shù)分布》和1965年頒布的MILSTD785《系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱要求》等[8]。但對于機械零部件并沒有國標(biāo)手冊可以查找，以獲得故障率數(shù)據(jù)，僅存在一部分工程經(jīng)驗值或故障率的概略值。但這種方法注重事后故障發(fā)生的概率統(tǒng)計，忽略了故障發(fā)生發(fā)展的動態(tài)物理過程，不能從根本上回答產(chǎn)品為何、何時失效。其關(guān)注的是故障發(fā)生本質(zhì)原因即誘發(fā)零部件、設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生故障的物理、化學(xué)、電學(xué)等過程[12][13]。在國外，故障物理的相關(guān)研究活動也是從1960年以后開始活躍起來。討論會每年舉辦一次，從1967年開始改由美國電子與電氣工程協(xié)會的電子器件分會與可靠性分會主辦，并更名為“國際可靠性物理研討會”。在該學(xué)會下設(shè)立了可靠性物理學(xué)組，以促進并發(fā)展我國的研究工作和技術(shù)交流。目前采用失效物理方法所建立的模型中應(yīng)用最為廣泛的是反應(yīng)論模型、應(yīng)力強度模型和累積損傷模型等。Meeker amp。 Koenig利用退化信息對一種新型海底電纜組件 ILF（Integrated Logic Family，ILF）進行可靠性評估時，采用了類似的建模過程[15]；Ramirez 等研究用于電子元件的某種電介質(zhì)的存儲壽命時，利用類似方式分析了該電介質(zhì)的失效物理退化數(shù)據(jù)[16]；Lu amp。應(yīng)力強度模型是根據(jù)產(chǎn)品所承受的工作應(yīng)力與產(chǎn)品構(gòu)成材料的強度之間的相互關(guān)系而建立的失效物理模型。 Harris基于應(yīng)力與強度之間的關(guān)系給出了一般的可靠性模型[18]；Place等利用應(yīng)力強度模型研究了直升飛機轉(zhuǎn)動裝置的退化失效問題[19]；Surles amp。累積損傷模型是根據(jù)產(chǎn)品材料或組件受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生損傷的累積程度而建立的失效物理模型。1983年Takeda andSuzuki在研究電裝置閾值電壓的退化情況時提出了 Power Law 模型[21]；Chan 等采用 Power Law 模型描述了薄膜電阻的退化機理，并對該型電阻進行了可靠性分析[22]。Meeker amp。Meeker采用 Paris 模型對一組金屬裂縫疲勞數(shù)據(jù)建立了退化函數(shù)，并由此來推斷產(chǎn)品的失效壽命[25]；Wilson采用 Paris 模型分析了一組疲勞微細(xì)裂縫數(shù)據(jù)的可靠性統(tǒng)計推斷問題[26]；趙建印針對產(chǎn)品失效機理是離散和連續(xù)損傷累積的情形分別提出了基于更新過程的失效分析方法和基于 WienerEinstein 過程和 Gamma過程的失效分析方法[27]。但由于機電耦合系統(tǒng)故障問題除具有原有機械和電子設(shè)備的特點，還增加了故障轉(zhuǎn)移性、表征復(fù)雜性、集成性、融合性、交叉性等特點[28]。這進一步對可靠性分析的深度和精度提出更加嚴(yán)苛的要求[1][2]。因為微系統(tǒng)的尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、隧道效應(yīng)，宏觀下的電子機械系統(tǒng)的失效模式、失效機理和失效分析不能完全解釋和指導(dǎo)微系統(tǒng)的可靠性研究與失效分析。 不確定性分析及量化方法 “不確定性”常用來衡量某一物理量估計值的準(zhǔn)確性，以判斷該估計值與真實值的偏差程度，為武器裝備的安全與可靠性評估的決策制訂提供理論依據(jù)。在基于故障機理的機電系統(tǒng)可靠性分析中，不確定性對機電系統(tǒng)性能有著較大的影響，通過考慮和分析諸多因素引起的不確定性對可靠性的影響，從而幫助工程師們做出最優(yōu)設(shè)計決策。物理不確定性，亦稱物理變異性（Physical Variability），是指某一自然現(xiàn)象或過程的內(nèi)在屬性，如機械構(gòu)件或材料的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性等因素引起物理量的變異性或波動，導(dǎo)致反復(fù)觀察某一相同物理量而產(chǎn)生不同的結(jié)果。通過收集更多樣本數(shù)據(jù)或獲得更多知識和信息可減少統(tǒng)計不確定性。模型的不完備性意味著選擇不同的模型對物理量進行評估時帶有一定的誤差，可通過改進該預(yù)測模型以縮小該不確定性。在確定性性能可靠性仿真分析的基礎(chǔ)上，人們根據(jù)工程需要將上述不確定性研究理論分別與之相結(jié)合，逐步發(fā)展了考慮不確定性的可靠性預(yù)測方法。（1）基于概率描述的不確定性量化方法基于概率統(tǒng)計的不確定性量化方法主要是以隨機變量為基礎(chǔ)，研究工程設(shè)計中存在的隨機不確定性，結(jié)合可靠性理論進行可靠性分析的方法。在此基礎(chǔ)上，美國GE、Pamp。此外，針對飛機結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機及其部件的研究有Shen[49]、Brown 和Grandhi[50]、Cavallini[51]、Chan 和Enright[52][54]、Jha[55]、Rusk[56][57]、Modarres[58]和Brooks 等[59]。在國外，繼20世紀(jì)90年代Madsen[60]和Edwards[61]發(fā)表基于Bayes 理論的不確定性量化方法后，Mahadevan[62]提出了考慮模型不確定性的Bayes 風(fēng)險決策模型，還研究了疲勞裂紋擴展模型的不確定性量化和模型驗證等問題[63]；Modarres基于Bayes 理論應(yīng)用裂紋長度的分布模型預(yù)測了飛機機身的可靠度；Guida[64]應(yīng)用Bayes方法分析了應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)；Liu[65]研究了概率可靠性預(yù)測模型的模型選擇、更新和平均?；谀：龜?shù)學(xué)的不確定性量化方法，是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，考慮可靠性分析中客觀存在的模糊現(xiàn)象和隨機現(xiàn)象的理論和方法。20 世紀(jì)90 年代，Bowman 等探討了影響可靠性的模糊因素[69]；Bordossy[70]將模糊理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)可靠性分析中的不確定性量化，并進行了模糊可靠性預(yù)測； Rao[71][72]通過考慮應(yīng)力和強度的不確定性，將模糊可靠性方法應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)斷裂的安全評估。如黃洪鐘[73]、劉文珽[74]、陳勝軍[75]、劉小云[76]等學(xué)者對疲勞損傷附近的模糊性進行了研究。上述基于概率的不確定性量化方法在我們掌握有充分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)且計算模型較精確時，是一種十分理想的結(jié)構(gòu)安全評定的模型。（2）基于非概率描述的不確定性量化方法非概率不確定性量化方法最早由Yakov [79]等在應(yīng)用力學(xué)中提出的，這個概念的主要思想是：當(dāng)我們所掌握的不確定性數(shù)據(jù)信息較少時，采用集合模型來描述這些輸入不確定因素，從而得到相應(yīng)的不確定性變化范圍。我國研究人員在這方面也有了起步，其中比較有代表性的有：邱志平和王曉軍[80][81]，Pierce和Worden等[82]。對于一個復(fù)雜系統(tǒng)來說，其涉及到的變量很多，我們可能對其中的某些變量的數(shù)據(jù)掌握得較多，它們便可以用概率模型來模擬，而對另外一些變量的數(shù)據(jù)掌握得較少，對它們則是采用非概率的集合模型來描述較為合理。 系統(tǒng)可靠性仿真分析算法鑒于本論文仿真分析對象為離散故障行為與連續(xù)過程(MultiLevel)共存的混合系統(tǒng)，分三個方面對可靠性高效仿真分析算法原型進行調(diào)研總結(jié)：離散事件仿真、連續(xù)過程仿真、混合系統(tǒng)仿真。此類方法簡單、直觀、容易理解，但其在處理復(fù)雜系統(tǒng)時序、交互和物理變量等動態(tài)行為方面表現(xiàn)出明顯的不足。各種離散事件仿真方法及方法優(yōu)缺點匯總?cè)绫?1所示：表 1 離散事件仿真方法匯總表算法名稱主要優(yōu)缺點可靠性框圖（RBD）及網(wǎng)絡(luò)可靠性模型（NR）RBD及 NR的優(yōu)點是圖形簡便直觀，計算簡單，工程應(yīng)用面廣。故障樹（FT）運用FT易于進行定性和定量分析，能直觀地分析故障成因，其方法也已經(jīng)成熟，并有大量的軟件支持。二元決策圖（BDD）[106]BDD好處是能直觀得到故障樹最小割集，不必近似計算就可以得到精確的頂事件(系統(tǒng))故障概率。但最大缺點是圖的大小依賴于對輸入的基本事件變量排序。動態(tài)故障樹（DFT）DFT能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)故障樹在處理存在順序相關(guān)、故障恢復(fù)、冷/熱儲備等特征的系統(tǒng)（如計算機容錯系統(tǒng)）時的局限；但對系統(tǒng)動態(tài)行為的建模和分析能力仍然有限，對復(fù)雜的動態(tài)交互行為如硬件與過程參數(shù)之間的交互等不能很好地建模。主要局限有：對某些類型的系統(tǒng)配置如koutn結(jié)構(gòu)建模困難；不具備分層次建模的能力，因而處理大型系統(tǒng)會很困難；很難獲得最小割集和重要度等傳統(tǒng)事件樹/故障樹可以提供的重要信息；需滿足恒定失效率、二態(tài)性和失效獨立等假設(shè)；比較復(fù)雜，不易為工程技術(shù)人員掌握。Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移法將含物理變量的動態(tài)問題轉(zhuǎn)化成一