国防科学技术大学研究生院学位论文
目录
摘要..........................................................................................................................................I Abstract.......................................................................................................................................III 第一章绪论. (1)
§1.1研究的背景与意义 (1)
§1.2基于性能退化数据的可靠性分析研究现状 (4)
§1.3存在的问题及解决思路 (13)
§1.4主要内容及创新点 (15)
第二章退化失效建模与分析原理 (17)
§2.1引言 (17)
§2.2退化失效一般模型与基本概念 (17)
§2.3退化数据的统计分析 (24)
§2.4本章小结 (33)
第三章基于随机过程的退化失效建模分析 (34)
§3.1引言 (34)
§3.2基于更新过程的离散随机损伤累积退化失效建模 (35)
§3.3基于Wiener-Einstein过程连续损伤累积退化失效建模 (45)
§3.4基于Gamma过程连续损伤累积退化失效建模 (51)
§3.5复合损伤累积下的退化失效分析 (55)
§3.6本章小结 (59)
第四章退化失效与突发失效的竞争失效分析 (61)
§4.1引言 (61)
§4.2竞争失效建模 (62)
§4.3基于参数回归模型的竞争失效分析 (65)
§4.4本章小结 (71)
第五章随机失效阈值下的退化失效分析 (73)
§5.1引言 (73)
§5.2相对失效阈值退化失效分析 (73)
§5.3周期性应力下的动态SSI可靠性模型研究 (77)
§5.4复合应力下的动态SSI可靠性模型研究 (83)
§5.5本章小结 (87)
第六章加速退化失效分析 (89)
§6.1引言 (89)
§6.2加速退化因子和加速退化方程研究 (89)
§6.3加速退化失效模型研究 (95)
§6.4金属化膜脉冲电容器加速退化失效分析 (103)
§6.5本章小结 (107)
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第七章结束语 (108)
§7.1本文的主要贡献 (108)
§7.2进一步研究的展望 (109)
致谢 (111)
参考文献 (113)
附录攻读博士期间撰写的学术论文和参与的科研工作 (120)
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图目录
图2-1 突发失效 (18)
图2-2 退化失效 (19)
图2-3 寿命分布与退化量分布的关系 (23)
图2-4 在不同时刻测取产品退化量 (25)
图2-5 退化量随时间的变化曲线 (28)
图2-6 两种结果的比较 (29)
图2-7 两种求解结果的对比 (32)
图3-1 金属化膜脉冲电容器自愈原理 (40)
图3-2 金属化膜脉冲电容器容值退化量数据示意图 (43)
图3-3 基于Poisson过程的金属化膜脉冲电容器失效概率曲线 (44)
图3-4 金属化膜脉冲电容器失效概率密度曲线 (44)
图3-5 基于Wiener-Einstein过程的金属化膜脉冲电容器失效概率曲线 (49)
图3-6 金属化膜脉冲电容器失效概率曲线 (54)
图3-7 Weibull失效分布概率密度曲线 (54)
图3-8 复合损伤下的退化失效过程图示 (55)
图4-1 突发失效与退化失效的竞争失效过程 (61)
图4-2 突发失效与退化失效共存时的试验数据示意图 (68)
图5-1 金属化膜脉冲电容器电容值随时间的变化图示 (75)
图5-2 金属化膜脉冲电容器失效概率曲线 (76)
图5-3 随机应力下强度退化的应力强度干涉失效示意图 (77)
图5-4 通光镜片激光损伤试验数据示意图 (82)
图5-5 激光损伤失效概率曲线 (82)
图5-6 复合应力作用下动态SSI模型 (83)
图5-7 可靠度函数曲线 (87)
图5-8 失效概率密度函数 (87)
图6-1 激活能 (92)
图6-2 金属化膜脉冲电容器加速退化数据 (105)
图6-3 金属化膜脉冲电容器正常应力水平下的失效概率曲线 (106)
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摘要
基于现有可靠性理论对产品进行可靠性评估，须依据产品的失效数据进行，然而，随着科技的不断进步，设计、制造技术不断提高，使用材料的不断改善，产品的可靠性越来越高，寿命越来越长，在允许的时间内很难获取足够的失效数据。极少失效甚至是零失效下的可靠性评估问题对现有的可靠性理论来说，几乎是一个根本性的难题，它一直困扰着许多理论和应用工作者。产品在使用过程中的性能退化数据中包含着大量的寿命信息，鉴于此，针对传统可靠性分析方法与实际工程应用不相适用的问题，本文对基于性能退化数据的可靠性分析技术展开研究，包括如下内容：
（1）根据性能退化数据的特点，研究了基于性能退化数据的可靠性分析的相关概念和一般步骤，给出了连续测量数据的统计推断方法；
（2）研究基于随机过程的退化失效分析，当产品退化是由于产品内部离散损伤累积造成时，提出基于更新过程的退化失效分析方法，给出了相应的退化失效模型，并利用该模型对强激光装置中金属化膜脉冲电容器进行了可靠性分析，说明了所研究方法的工程实用性和有效性；当产品退化过程是连续损伤累积造成时，分别给出了基于Wiener-Einstein 过程和Gamma过程的退化失效分析方法，前一种方法可以得到产品失效模型的解析表达式，而后一种则需用仿真方法获取失效模型；当产品退化过程中既包括离散损伤过程又包括连续损伤过程时，给出了一种基于扩散过程的退化失效分析方法；
（3）对于突发失效与退化失效的竞争失效问题，在考虑突发失效与产品退化过程相关时，提出了一个竞争失效的模型，该模型包括了突发失效与退化失效无关时的情况。根据该模型的特点，给出了基于参数回归分析的统计推断方法，分别提出基于比例危险模型的竞争失效分析方法和基于位置-尺度模型的竞争失效分析方法；
（4）对于随机失效阈值问题，研究了其中的两大类，一是给出了相对失效标准下的退化失效模型和分析方法，二是研究强度退化的动态应力-强度干涉失效可靠性分析，给出了周期性应力作用下的动态应力-强度干涉失效可靠性模型和复合应力作用下动态应力-强度干涉失效可靠性模型。基于以上模型分别对强激光装置中通光镜片和脉冲氙灯进行了可靠性评估，验证了所研究理论方法的工程实用性和有效性。
（5）根据加速退化过程的特点，提出加速退化因子和加速退化方程的概念，加速退化方程反映了产品退化特征量与应力水平的关系，加速退化因子是刻划试验中某一加速应
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力水平效果的量。在加速退化方程和加速退化因子概念的基础上给出了几种典型退化失效模型的加速退化分析方法，包括基于高斯过程的退化失效模型、B-S分布模型、基于对数正态过程的退化失效模型、退化量分布为Weibull分布的退化失效模型，并对加速退化模型的通用性进行了分析。给出了金属化膜脉冲电容器的加速退化失效模型和基于加速退化数据的可靠性评估方法。
在文章的最后，总结了全文的研究内容并对进一步的工作进行了展望。
关键词：可靠性，性能退化数据，随机过程，竞争失效，失效阈值，加速退化失效
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Abstract
With the development of science and technology and improvement of material, the reliability of industry products becomes increasingly higher. Some life tests result in few or no failures. In such cases, it is difficult to assess reliability with traditional life tests which only record time-to-failure. For some product, it is possible to obtain degradation measurements over time and these measurements may contain useful information about product reliability. In this paper, statistical models and its inference methods for degradation measurements have been studied systematically. The contributions of this paper are as follows.
The concepts of degradation failure and the framework of reliability analysis from degradation measurements have been discussed. The inference methods for the repeated-measures degradation data are proposed.
The performance degradation is caused by interior damage cumulative processes of products t hat may be discrete or continuous. When the performance degradation is caused by the discrete cumulative damages, the degradation failure model based on renewal process is proposed and used to analyze the reliability of metallized film pulse capacitors in the laser device. When the degradation process is continuous, two models based on Wiener-Einstein and Gamma processes are presented respectively. Because it is difficult to obtain an analytical expression of the failure model using the latter method, we present a failure model based on Monte-Carlo simulation. When the degradation process is composite one of discrete and continuous damage cumulative processes, a degradation failure analytical model is presented based on diffusion process.
Competing risk involving multiple failures are becoming increasingly common and important in practice. A general model involving both traumatic and soft degradation failures is proposed in which the dependence of traumatic failure intensities on the degradation level is included. The inference methods of unknown parameters of the competing failure model are presented based on proportional hazard model and location-scale model.
The degradation failure standard may be random to some products. There are two kinds of degradation failure with random failure standard, the first kind is the degradation failure with relative failure standard that is determined by the random initialized performance measurements.
