文档介绍：国防科学技术大学
博士学位论文
基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法研究
姓名:李春洋
申请学位级别:博士
专业:机械工程
指导教师:陈循
2010-09
国防科学技术大学研究生院博士学位论文
摘要
大型复杂系统和重大产品的可靠性分析与设计技术涉及国家战略需求,已列
入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020 年)》和国家高技术研究
发展计划(863 计划),相关的理论与技术问题亟待研究。
传统可靠性理论在解决复杂系统可靠性分析与设计问题时存在诸多不足。利
用传统可靠性理论对复杂系统进行可靠性分析、建模和优化设计时不能真实地表
征复杂系统多状态的特点,也不能反映出系统性能与部件性能、系统可靠性与系
统性能的关系,无法满足工程需要。多态系统理论能够透彻地反映出系统性能与
部件性能的关系,系统性能的变化和系统的多态性,为解决复杂系统可靠性分析
与设计问题提供了一条可行的途径。目前,多态系统理论的研究还停留在理论阶
段,对于复杂系统在工程中常常具有的多性能参数、部件发生共因失效、数据缺
乏等特点,多态系统理论已有的研究成果还不足以解决这些问题。
为此,针对复杂系统可靠性分析与设计的工程需求和进一步完善多态系统理
论体系的理论需求,本文从部件状态分析、系统结构函数分析、系统可靠性分析
及系统可靠性优化设计等不同层面,分层次、系统地研究和完善多态系统理论,
建立基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法和流程,为解决复杂系统可
靠性分析与优化设计问题提供理论和技术支撑。论文的主要研究内容与结论如下:
1. 研究了多态部件的状态定义方法及状态概率估算方法
针对多态部件的特点,研究了部件状态的定义方法。根据性能试验数据,提
出了多态部件状态概率的估算方法——极大似然估计法和 Bayes 方法,得到了部
件状态概率的极大似然估计和 Bayes 估计。根据性能退化数据,提出了正常退化
时和考虑冲击时性能退化部件的状态定义方法和状态概率估算方法。
2. 分析了多态系统结构函数的特点及定义方法
分析了多态系统结构函数的特点以及与传统的系统结构函数的差异,给出了
多态系统典型结构的系统结构函数,提出了基于系统物理模型和状态表的系统结
构函数定义方法。
3. 提出了基于向量通用生成函数的多性能参数多态系统可靠性分析方法
针对目前多态系统理论在分析多性能参数多态系统上的不足,提出了多性能
参数多态系统可靠性分析方法——向量通用生成函数,研究了向量通用生成函数
的运算法则,给出了基于向量通用生成函数的多态串-并联系统可靠性分析流程,
以及提高向量通用生成函数计算精度和降低计算复杂度的方法。在此基础上,研
究了共因失效问题,提出了共因失效组向量通用生成函数的计算方法。
4. 提出了基于区间分析理论的多态系统区间可靠性分析方法
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国防科学技术大学研究生院博士学位论文
针对工程中无法得到部件状态性能或状态概率精确值的问题,提出了多态系
统区间可靠性分析方法——区间通用生成函数,研究了区间通用生成函数的运算
法则,解决了当部件状态性能或状态概率为区间数时,多态系统可靠度的计算问
题。针对区间通用生成函数在分析过程中存在的区间扩张问题,提出了仿射通用
生成函数,解决了区间相关性造成的区间扩张问题,给出了更加准确的多态系统
区间可靠度。
5. 分析了考虑共因失效的多态系统可靠性优化设计问题和多态系统区间可靠
性优化设计问题
给出了多态系统可靠性的单目标优化设计模型和多目标优化设计模型,对遗
传算法进行了改进,提出了混合遗传算法,解决了考虑共因失效时多态系统可靠
性优化设计问题。通过定义区间比较算子,解决了多态系统区间可靠性优化设计
问题。
6. 研究了动力系统可靠性分析与优化设计问题,分析了××系统区间可靠性
基于本文的研究成果,以××系统为对象开展了应用研究。分别利用传统可
靠性理论和多态系统理论分析了动力系统可靠性,并对比了分析结果。结果显示,
利用多态系统理论所得可靠度更加准确。根据动力系统的设计要求,对动力系统
进行了优化设计,得到了费用更低、可靠度更高的动力系统结构。针对××系统
中分系统样本量小的问题,采用本文的多态系统区间可靠性理论,研究了××系
统区间可靠性。
总之,本文在国家高技术研究发展计划(863 计划)和校优秀研究生创新基金
的资助下,进一步完善了多态系统理论,为多态系统理论在复杂系统可靠性分析
与设计中的应用提供了详细的分析流程。研究成果对多态系统理论的发展具有重
要的理论价值,对多态系统理论的工程应用具有重要的指导意义,为解决大型复