一種基于物理統(tǒng)計(jì)模型的壽命預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出一種基于物理統(tǒng)計(jì)模型的壽命預(yù)測(cè)方法，它是一種基于物理統(tǒng)計(jì)結(jié)合 卡爾曼濾波更新的加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模方法，屬于可靠性技術(shù)領(lǐng)域中的加速退化試驗(yàn)數(shù) 據(jù)處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、制造工藝的發(fā)展，產(chǎn)品的可靠性和壽命已經(jīng)可以達(dá)到一個(gè)很 高的水平。隨之而來(lái)亟需解決的難題是如何評(píng)估這些高可靠性產(chǎn)品的壽命。對(duì)于壽命少則 幾年多則數(shù)十年的設(shè)備或系統(tǒng)，加速試驗(yàn)在試驗(yàn)技術(shù)上為解決這一問(wèn)題提供了可行的理論 支撐。然而，如何對(duì)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理，得出產(chǎn)品壽命和可靠性較為精確的估計(jì) 依舊是一個(gè)問(wèn)題。
[0003] 目前加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理主要有兩種思路：
[0004] 1.在加速試驗(yàn)中產(chǎn)品出現(xiàn)失效，利用失效數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品壽命符合的概率分布形式進(jìn) 行估計(jì)，從而得到產(chǎn)品的壽命分布和可靠度分布函數(shù)；
[0005] 2.在加速試驗(yàn)中產(chǎn)品未出現(xiàn)失效，但是能從產(chǎn)品的性能參數(shù)監(jiān)測(cè)到具有退化特 征，利用退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的退化軌跡進(jìn)行建模，外推得到產(chǎn)品的壽命。
[0006] 在第二種思路中，對(duì)于退化軌跡進(jìn)行建模又主要有兩種思路：
[0007] 1.依據(jù)產(chǎn)品發(fā)生退化的機(jī)理建立物理模型，之后利用退化數(shù)據(jù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn) 行估計(jì)，得到產(chǎn)品的退化軌跡模型；
[0008] 2.依據(jù)產(chǎn)品退化軌跡的特點(diǎn)，選擇合適的統(tǒng)計(jì)模型，并利用退化數(shù)據(jù)對(duì)模型中的 參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，最終得到產(chǎn)品的退化軌跡模型。
[0009] 利用物理模型對(duì)退化軌跡進(jìn)行建模的方法中，對(duì)產(chǎn)品壽命和可靠度的預(yù)測(cè)的結(jié)果 與建立的物理模型是否準(zhǔn)確直接相關(guān)。然而在實(shí)際工程中，針對(duì)產(chǎn)品建立精確的物理模型 是較為復(fù)雜的。利用統(tǒng)計(jì)模型對(duì)退化軌跡進(jìn)行建模的方法中，對(duì)產(chǎn)品壽命和可靠度的預(yù)測(cè) 的結(jié)果與退化軌跡的特點(diǎn)是否突出有密切聯(lián)系，不僅需要數(shù)據(jù)量較大，而且需要數(shù)據(jù)能夠 體現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律。一種新的思路是將上述提到的物理方法與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，這種混合建 模方法使得能夠利用對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、機(jī)理認(rèn)識(shí)建立的物理模型，同時(shí)結(jié)合統(tǒng)計(jì)手段，在建模 是能夠?qū)悠烽g個(gè)體差異作為隨機(jī)性的因素包含在模型中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)加速退化試驗(yàn)的退化數(shù)據(jù)處理，發(fā)明了一種基于物理統(tǒng)計(jì)結(jié)合卡爾曼濾波更 新的加速退化數(shù)據(jù)建模方法。本發(fā)明的為了精確的對(duì)加速退化試驗(yàn)得到的退化軌跡進(jìn)行外 推，全面考慮了產(chǎn)品的物理退化機(jī)理、產(chǎn)品個(gè)體特性、產(chǎn)品退化各階段的退化軌跡差異性， 對(duì)于高可靠長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，能夠在指定失效閾值的前提下進(jìn)行壽命分布和可靠度函數(shù)的預(yù) 測(cè)。
[0011] 本發(fā)明提出的退化過(guò)程有依據(jù)以下四點(diǎn)假設(shè)前提：
[0012] 1.所研宄的產(chǎn)品是具備性能參數(shù)退化的產(chǎn)品，而不是單一功能的成敗型產(chǎn)品，即 產(chǎn)品的退化狀態(tài)是一系列性能參數(shù)采樣點(diǎn)，而不是功能正常與功能不正常兩點(diǎn)；
[0013] 2.產(chǎn)品的性能參數(shù)退化趨勢(shì)總體是具有單調(diào)性的，即退化軌跡應(yīng)是逐漸趨近失效 閾值；
[0014] 3.產(chǎn)品的性能參數(shù)具有失效閾值，即產(chǎn)品的某項(xiàng)性能參數(shù)或輸出參數(shù)達(dá)到性能指 定的失效閾值后，產(chǎn)品本身或裝備了該產(chǎn)品的系統(tǒng)將不能正常穩(wěn)定工作；
[0015] 4.導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生性能退化的應(yīng)力及機(jī)理在退化過(guò)程是確定不變的，即產(chǎn)品自退化 開(kāi)始到達(dá)失效閾值為止，促使其退化的應(yīng)力及機(jī)理在退化過(guò)程中始終促使產(chǎn)品發(fā)生退化， 并且不存在其它應(yīng)力及機(jī)理僅在退化過(guò)程中某一階段起作用。
[0016] 基于上述假設(shè)，本發(fā)明提供的一種基于物理統(tǒng)計(jì)模型的壽命預(yù)測(cè)方法，主要包括 以下具體幾個(gè)步驟：
[0017] 步驟一：構(gòu)建產(chǎn)品退化的物理模型。
[0018] 根據(jù)產(chǎn)品的使用信息，確定產(chǎn)品可能經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，依此對(duì)產(chǎn)品退 化的物理模型進(jìn)行調(diào)研，并結(jié)合對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工況等方面的分析，確定可能的退化模型。對(duì) 于單應(yīng)力退化，通常其模型的形式是y=f(t，S)，其中y是性能參數(shù)退化量，t是時(shí)間，S是 加速應(yīng)力。
[0019] 步驟二：將產(chǎn)品退化的物理模型轉(zhuǎn)換成線性模型的形式。
[0020] 根據(jù)產(chǎn)品退化的物理模型，轉(zhuǎn)換成線性模型形式的具體方法主要有以下三種：
[0021] 1.若在物理模型中，含有應(yīng)力水平S的項(xiàng)與含有時(shí)間t的項(xiàng)是乘積關(guān)系，則可以 將兩項(xiàng)分別做整體代換構(gòu)建成線性模型。即若產(chǎn)品的加速退化物理模型形式為y=Ag(S) h(t)，則可以分別作代換Bs=g(S)，Ct=h(t)，將物理模型代換成線性模型y=ABsCt，其 中氏為與應(yīng)力水平有關(guān)的系數(shù)，Ct是經(jīng)過(guò)形式轉(zhuǎn)換的時(shí)間量。在此模型中，性能參數(shù)的退 化量與經(jīng)過(guò)形式轉(zhuǎn)換的時(shí)間量具有線性關(guān)系。
[0022] 2.若在物理模型中，含有應(yīng)力水平S的項(xiàng)與含有時(shí)間t的項(xiàng)是指數(shù)關(guān)系，則可以 對(duì)模型等式兩邊先取對(duì)數(shù)，再分別作整體代換構(gòu)建線性模型。即若產(chǎn)品的加速退化物理模 型形式為y=Ag⑶h(t)或y =Ah(t)g(s)，先對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù)得Iny =h(t)lng(S)+ln A或Iny=g(S)lnh(t)+lnA。對(duì)第一種情況作代換Bs=Ing(S)，Ct=h(t);對(duì)第二種 情況作代換Bs=g(S)，Ct=lnh(t)，都可以得到線性模型形式Iny=BsCt+lnA。在此 模型中，性能參數(shù)退化量的對(duì)數(shù)與經(jīng)過(guò)形式轉(zhuǎn)換的時(shí)間量具有線性關(guān)系。
[0023] 3.若在物理模型中，含有應(yīng)力水平S的項(xiàng)與含有時(shí)間t的項(xiàng)是其他關(guān)系，則可以根 據(jù)具體情況用包括取對(duì)數(shù)、整體代換等方法變換為線性模型的形式。
[0024] 步驟三：對(duì)物理模型的線性形式進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。
[0025] 本發(fā)明中，采用了最小二乘法，利用歷史樣本數(shù)據(jù)對(duì)變換成線性形式的物理模型 進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。以線性模型y=ABsCt為例說(shuō)明：
[0026]1.整理產(chǎn)品性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)的真實(shí)時(shí)間量度按照線性形式中時(shí)間轉(zhuǎn) 換形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而將退化軌跡中退化量與真實(shí)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為退化量與經(jīng)時(shí)間 轉(zhuǎn)換形式轉(zhuǎn)換后的計(jì)算時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
[0027] 2.計(jì)算物理模型在每一時(shí)刻求得的退化量與加速退化試驗(yàn)測(cè)得的退化量偏差。偏 差
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于物理統(tǒng)計(jì)模型的壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：它包括以下具體步驟： 步驟一：構(gòu)建產(chǎn)品退化的物理模型； 根據(jù)產(chǎn)品的使用信息，確定產(chǎn)品可能經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，依此對(duì)產(chǎn)品退化的 物理模型進(jìn)行調(diào)研，并結(jié)合對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工況方面的分析，確定可能的退化模型；對(duì)于單應(yīng) 力退化，通常其模型的形式是y=f(t，S)，其中y是性能參數(shù)退化量，t是時(shí)間，S是加速應(yīng) 力； 步驟二：將產(chǎn)品退化的物理模型轉(zhuǎn)換成線性模型的形式； 根據(jù)產(chǎn)品退化的物理模型，轉(zhuǎn)換成線性模型形式的具體方法有以下三種：
1. 若在物理模型中，含有應(yīng)力水平S的項(xiàng)與含有時(shí)間t的項(xiàng)是乘積關(guān)系，則將兩項(xiàng)分別 做整體代換構(gòu)建成線性模型，即若產(chǎn)品的加速退化物理模型形式為y=Ag(S)h(t)，則