退化系统的可靠性建模与老练策略优化

论文摘要

随着市场竞争日益激烈,产品除了功能和性能,可靠性也已经成为一项重要的评价指标。对于生产厂家,提升产品可靠性、降低产品失效的不确定性将有助于增强其品牌溢价能力,是提升产品竞争力和企业效益的重要途径。因此,近年来对产品可靠性问题的研究受到了来自学术界和工业界的普遍关注。随着检测技术的进步和对产品失效机理认识的不断深入,越来越多产品的失效可以归因于其性能退化,基于性能退化的可靠性分析已经成为该领域的研究热点之一。本课题来源于国家重大科学设备仪器开发专项“大功率半导体激光器综合测试仪器”。大功率半导体激光器是激光产业的核心部件,是一种典型的性能退化器件。激光器输出光功率随着工作时间的增加会逐渐减弱,直至无法满足应用需求,发生退化失效。本文以半导体激光器为背景,围绕退化系统(产品)的可靠性建模、剩余寿命预测、老练策略优化以及大功率半导体激光器可靠性测试仪器的开发等问题展开研究,主要内容如下:1.研究了基于故障率的退化系统建模与应用。采用故障率递增特性刻画系统自身退化过程,采用随机冲击模型刻画外部环境对系统自身退化过程的影响,基于有效役龄的方法推导出了系统的可靠性模型。提出了一种融合预防性维修和恢复性维修的混合维修策略,并以优化产品长期可用度和平均维修费用为目标对维修策略进行了多目标优化。2.研究了基于逆高斯过程的退化系统建模与剩余寿命预测问题。采用逆高斯过程对系统的退化过程进行建模,引入随机效应参数刻画个体间的退化特性差异,采用双参数环境应力协变量刻画实际环境应力和工作负荷,并推导出了非线性形状函数条件下的剩余寿命分布。根据贝叶斯定理对随机效应参数进行在线更新,实时估计当前工作应力,进而得到当前工作应力下的剩余寿命。该模型在考虑个体差异的同时能够有效地描述实际工作应力对系统固有退化过程的影响,最终通过参数在线更新进一步提高了剩余寿命预测精度。3.研究了具有退化特性产品的老练策略建模与优化问题。对于退化失效的产品,老练试验会导致参与试验的所有产品的性能发生退化,进而影响合格品平均剩余寿命。本文突出了试验过程对产品性能退化的影响,提出了一种最小化老练成本和最大化剩余寿命的老练策略优化模型。采用带有时移特性的维纳过程刻画系统的非线性退化路径,基于退化量构建了以老练试验时间和筛选阈值作为决策变量的老练筛选模型,推导出了试验成本和平均剩余寿命两个维度的目标函数,采用进化算法实现老练策略的双目标优化,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。4.依据大功率半导体激光器的光电特性和退化特征,研发了一套基于现场总线的分布式大功率半导体激光器可靠性测试与老练筛选系统。从测试系统的总体结构、硬件电路、控制算法以及可靠性数据分析等方面详细介绍了该系统的设计与实现,并通过测试验证了其高效电流控制与可靠性测试等功能。本系统实现了激光器温度和电流的双应力测试,可用于大功率半导体激光器的加速退化试验、老练筛选试验和寿命测试等多种可靠性试验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状及分析
•     1.2.1 基于故障率模型的退化系统建模
•     1.2.2 基于退化量的退化过程建模及剩余寿命预测
•     1.2.3 退化系统老练策略优化
•   1.3 课题来源及研究目标
•     1.3.1 课题来源
•     1.3.2 主要研究目标
•   1.4 本文的组织结构
• 第二章 预备知识
•   2.1 引言
•   2.2 可靠性理论基础
•     2.2.1 可靠度
•     2.2.2 故障率
•     2.2.3 平均寿命
•   2.3 随机冲击理论
•     2.3.1 冲击到达时间的描述
•     2.3.2 冲击对系统的影响
•   2.4 基于随机过程的退化系统建模
•     2.4.1 维纳过程模型
•     2.4.2 伽玛过程模型
•     2.4.3 逆高斯过程模型
•   2.5 维修理论
•     2.5.1 维修的分类
•     2.5.2 维修效果模型
•     2.5.3 维修效果评价方法
•   2.6 可靠性试验
•   2.7 本章小结
• 第三章 考虑外界随机冲击的退化系统可靠性建模与维修优化
•   3.1 引言
•   3.2 系统建模
•     3.2.1 退化系统可靠性
•     3.2.2 外界随机冲击建模
•     3.2.3 退化和随机冲击共同作用下的系统可靠性模型
•   3.3 系统维修策略及优化
•     3.3.1 维修模型假设
•     3.3.2 维修策略优化
•   3.4 算例分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 基于逆高斯过程的可靠性建模与剩余寿命预测
•   4.1 引言
•   4.2 退化过程建模
•     4.2.1 基本逆高斯过程
•     4.2.2 环境加速因子
•     4.2.3 随机效应
•   4.3 统计推断
•   4.4 参数在线更新
•   4.5 剩余寿命预测
•   4.6 仿真实验
•     4.6.1 参数估计
•     4.6.2 模型的拟合优度检验
•     4.6.3 剩余寿命预测
•   4.7 本章小结
• 第五章 基于时移维纳过程的多目标老练策略优化
•   5.1 引言
•   5.2 退化系统可靠性建模
•     5.2.1 基于维纳过程的退化过程建模
•     5.2.2 产品寿命分布
•   5.3 老练筛选模型
•     5.3.1 基于退化量的老练策略
•     5.3.2 统计推断
•   5.4 老练策略多目标优化
•     5.4.1 模型假设
•     5.4.2 老练成本
•     5.4.3 老练后产品的平均剩余寿命
•     5.4.4 多目标优化
•   5.5 数值仿真
•     5.5.1 参数估计
•     5.5.2 老练方案优化
•     5.5.3 敏感性分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 大功率半导体激光器可靠性测试与筛选系统
•   6.1 引言
•   6.2 系统概述
•     6.2.1 激光器光电特性分析
•     6.2.2 测试系统需求分析
•     6.2.3 系统总体结构
•   6.3 激光器性能退化测试嵌入式控制器设计
•   6.4 激光器测试电源设计
•     6.4.1 浪涌电流抑制
•     6.4.2 输出可调式DCDC电源
•     6.4.3 激光器恒流控制
•     6.4.4 效率优化算法
•   6.5 激光器温度控制
•     6.5.1 TEC控制电路
•     6.5.2 温度检测
•     6.5.3 温度控制与过热保护
•   6.6 激光器退化量测量
•   6.7 测试主机软件设计
•     6.7.1 可靠性测试
•     6.7.2 测试数据分析
•   6.8 系统测试
•     6.8.1 激光器电源效率测试
•     6.8.2 可靠性测试与分析
•   6.9 本章小结
• 总结与展望
•   本文的主要工作
•   未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表或完成的论文与专利
• 攻读博士学位期间主持及参与的项目
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吕燚

导师: 谢少峰,章云

关键词: 退化系统,冲击,维纳过程,逆高斯过程,剩余寿命,老练试验

来源: 广东工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,数学,工业通用技术及设备

单位: 广东工业大学

基金: 国家重大科学设备仪器开发专项“大功率半导体激光器综合测试仪器”(2011YQ040077)

分类号: TB114.3

DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.001449

总页数: 147

文件大小: 9140K

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