一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法，包括以下步骤：步骤一：建立系统结构MMDD模型；步骤二：建立部件MDD模型；步骤三：建立系统最终的MMDD模型。本发明专利技术的有益效果在于：本发明专利技术讨论了物理隔离效应对故障机理退化到不同状态的进程的影响，并推导了相应的状态概率函数；根据概率故障物理的方法，得到各机理的寿命分布，有效避免了传统的基于数理统计的方法难以获取考虑隔离效应的元器件及故障机理的寿命数据的问题。元器件及故障机理的寿命数据的问题。元器件及故障机理的寿命数据的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法


[0001]本专利技术属于隔离效应的系统建模领域，具体涉及一种基于分层MMDD和MDD的多状态系统隔离效应建模方法。

技术介绍

[0002]在工程实际中，很多部件或子系统之间是难以独立完成功能的，而是需要其他部件的配合来实现系统规定的功能，这就引起了一种现象：一个部件(相关部件)实现其规定功能需要依赖于其他部件(触发部件)的正常工作，这种部件之间的关系被称为功能相关。而触发部件的故障，会导致相关部件不可访问或故障，这时称相关部件被触发部件隔离。比如计算机系统中，显示器和键盘等外围设备可以通过I/O控制器访问主机。但当I/O控制器发生故障时，外围设备便不可访问主机了，即外围设备被隔离了。
[0003]当考虑功能相关时，造成相关部件不可靠的原因除了自身的退化和系统外的冲击外，还有可能是触发部件故障所带来的隔离效应，这会导致系统的可靠性比预期的偏低。另一方面，部件的某种故障模式可能会对其所在子系统或整个系统造成破坏性影响，这种故障模式被称为传播故障，这一过程为故障传播。例如，电容的爆炸可能会导致其临近部件的烧毁或焊点断裂。
[0004]若触发部件在相关部件发生传播故障之前发生故障时，相关部件便被触发部件隔绝在系统之外，从而导致相关部件的故障传播不会发生；从这一角度来看，系统的可靠度有可能会高于预期。可见，触发部件及其对相关部件的隔离效应对系统的故障行为和可靠性均有着重要影响。
[0005]然而在实际工程上，触发部件的故障可能并不会导致相关部件的完全隔离。如果触发部件故障后只是造成相关部件的不可访问，而相关部件还在正常工作时，那么相关部件仍然有可能通过改变环境应力而对邻近部件产生影响。也就是说相关部件只是被触发部件从功能层面上被隔离出系统，而在物理层面上，其对周围环境造成的影响并没有被隔离。例如，大功率器件的正常工作会引起周围温度的升高、使工作环境更加严酷。
[0006]例如，在电子产品中，正常工作的部件可以通过热传导、电磁辐射等方式影响周围环境。当部件故障后，其周围的环境应力便不再受其影响而发生变化，这种应力的变化会导致该部件附近的其他部件内部的故障机理发展过程产生变化。例如，功率管在正常工作时，会产生大量的热，引起其周围环境温度升高；当功率管故障后，其周围温度会有较大幅度的降低，这时，临近功率管的元器件内部的、受温度影响的故障机理的发展速率也会发生相应变化。
[0007]在机械系统中，部件会通过产生磨屑、漏液、离心扰动等方式影响周围的环境应力。例如，液压泵的活塞在工作时会产生较大的热量和微小磨屑，这会导致液压油变质、腐蚀性增强，进而降低其他活塞及液压管道的寿命；当活塞故障后，这种影响便不会在继续持续。另一个例子是变速箱齿轮。齿轮在工作时会产生磨屑，这些磨屑会通过恶化工作环境影响其他零件的工作精度、加快其他零件的磨损速度。但齿轮故障后，其便不会再产生磨削及
对其他零件继续造成影响。
[0008]目前，只有极少数学者研究过相关部件没有被隔离的情况，但是相关部件被隔离后的物理影响还没有被学者研究过。环境应力的变化也会导致部件的故障率随之发生变化，但是大多数学者的研究也仅仅停留在观察不同环境应力下部件的故障率的初始阶段，学者们并没有更加深入地研究环境应力是如何在故障物理层面上改变部件的退化过程。
[0009]与此同时，在工程实际应用的系统往往会有复杂的系统功能或系统结构，例如多状态系统和多阶段(任务)系统。系统往往会表现出多层次的性能水平：完好、可接受、退化、完全故障等，这样的系统被称为多状态系统。若考虑未被隔离的物理影响对复杂系统的可靠性的影响时，系统内部的故障机理退化过程可能会更加复杂、并表现出多种可能的发展情况。
[0010]传统的可靠性分析方法是一种以大量试验数据或历史数据为分析对象，并结合数理统计的对系统或产品的可靠性进行评估的方法。但随着制造技术的更新换代和许多新材料、新器件的使用，一方面，许多历史数据存在可信性的问题；而另一方面，若进行大量现场试验以收集足够准确的可靠性数据，又会需要大规模的资金和时间的投入。为解决这些问题，故障物理方法应运而生。
[0011]故障物理(Physics of Failure，PoF)，又称为可靠性物理，是从化学和物理的微观结构角度，来研究材料、零件(元器件)和结构的故障机理(failure mechanism，FM)，并分析其所在的工作和环境应力以及时间对产品退化或故障的影响。此方法认为部件的故障是环境应力、人为因素等外因，和产品的材料、结构、生产工艺等内因共同作用的结果。通过分析、总结故障机理的故障前时间和内因、外因的关系，对元器件的故障机理建立故障物理模型。因此，便可不需对元器件进行大量试验，只要确定某故障机理的应力环境、结构尺寸等参数，便可得到该故障机理的故障时间。
[0012]虽然故障物理为新研产品或历史数据较少的产品的可靠性设计提供了新的思路，但在实际生产和使用过程中，故障物理模型中的有关参数具有不确定性，这将使故障物理方法得到的故障时间与试验验证得到的结果会有较大的误差。
[0013]通过对故障物理方法和可靠性预计方法进行研究，Zoran Mati
é
等认为环境因素的不确定性、任务剖面的不确定性和制造过程中的不确定性等三方面不确定性是故障物理模型的参数不确定性的主要来源。为有效消除不确定性因素的影响，Zoran Mati
é
等认为需对故障机理的故障时刻进行概率化分析，并提出了概率故障物理(Probabilistic Physics of Failure,PPoF)的方法，从而获得了关于可靠性指标的概率值。
[0014]目前，为了在可靠性分析中考虑参数分散性，一般的方法是先对故障物理模型解析后再采取蒙特卡洛抽样的方法。例如，国际知名的故障物理研究机构，马里兰大学(University of Maryland)的CALCE中心开发出了世界上第一款商用化的、基于概率故障物理的方法来评估板级产品寿命的软件—CalcePWA。该软件考虑了尺寸的分散性，并将故障物理模型中的外形尺寸参数进行离散，再利用蒙特卡洛法得到故障机理的若干个寿命抽样值，最后再根据这些数据拟合成相应的寿命分布。
[0015]目前，虽然学者们只对较少的故障机理进行了研究，完整的体系和广为认可的物理模型还尚未形成。但是，该方法可由故障物理模型得到故障机理的寿命，而非进行大量试验，极大地节约了成本；同时又考虑了模型中参数的分散性对可靠性造成的影响，弥补了故
障物理方法的不足，从而使得对可靠度的定量分析更加切合现实情况，有广阔的应用前景。
[0016]关于多状态系统的研究中，绝大多数文献都认为部件性能的退化到不同的程度是导致部件出现多状态的原因，这是与现实相符合的。但在分析这种退化时，许多文献作出了部件状态转移概率已知的假设，即部件从一个状态转移到另一个状态的时间分布是已知；在这种假设下，部件在前一个状态的持续时间与后一状态的持续时间完全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立系统结构MMDD模型在分析系统功能结构的基础上，确定功能相关关系，分析部件对环境的影响，确定部件状态与系统状态的关系，建立多状态故障树模型，最终生成系统各状态的MMDD模型；步骤二：建立部件MDD模型识别所有部件的主要故障机理，确定机理类型其相关关系，得到机理寿命分布类型和分布参数，确定对应部件状态的损伤阈值，最终建立各部件的MDD模型；步骤三：建立系统最终的MMDD模型。2.如权利要求1所述的一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法，其特征在于，所述的步骤一具体包括以下步骤：(1)分析系统功能结构并明确系统的各种状态；(2)根据所分析的系统功能结构，确定系统功能相关关系FDEP；(3)分析系统中各部件对环境的影响；(4)选取程度最大或者风险最高的环境影响，确定出系统需要考虑的物理隔离效应；(5)在已知系统功能结构、各部件相关关系以及部件的环境影响的情况下，确定所有部件的状态与系统状态的关系；(6)分别建立系统各状态的多状态故障树(Multi
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state Fault Tree，MFT模型)；(7)将MFT模型转化为MMDD模型，从而分别生成系统各状态的MMDD模型。3.如权利要求2所述的一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法，其特征在于：所述的步骤一中所涉及的确定所有部件的状态与系统状态的关系包括：确定系统所包含的子系统；确定子系统的各种状态与子系统部件状态的关系；确定整个系统的各种状态与子系统状态之间的逻辑关系。4.如权利要求2所述的一种基于分层MMDD与MDD的多状态隔离效应建模方法，其特征在于：所述的步骤一中所涉及的将MFT模型转化为MMDD模型的方法为：逐个分析逻辑门所连接部件的全部状态组合情况，并逐个分析部件状...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱桂霞，钱玉刚，蓝剑，李迪亮，周田蜜，胡玉莹，卢冰，秦凤，
申请(专利权)人：中核武汉核电运行技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：