舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)*

柳愛利 寇昆湖

(海軍航空工程學(xué)院控制工程系 煙臺 264001)

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舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)*

柳愛利 寇昆湖

(海軍航空工程學(xué)院控制工程系 煙臺 264001)

論文對導(dǎo)彈舵系統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程以舵系統(tǒng)在貯存應(yīng)力水平下,p階分位壽命漸近方差最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則,以舵系統(tǒng)中位壽命漸近方差作為舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。通過尋優(yōu)計(jì)算,得到了導(dǎo)彈舵系統(tǒng)在溫度和濕度兩個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力作用,應(yīng)力水平組合數(shù)為4和5時(shí),其溫度和濕度的應(yīng)力水平、樣本分配比例νi、每組試驗(yàn)截尾時(shí)間τi的最優(yōu)值,并利用方差因子相對百分比確定了此時(shí)的合理測試次數(shù)為6。對優(yōu)化方案進(jìn)行的敏感性分析表明,優(yōu)化試驗(yàn)方案對導(dǎo)彈舵系統(tǒng)的加速模型參數(shù)具有較好的魯棒性。

導(dǎo)彈舵系統(tǒng); 加速壽命試驗(yàn); 優(yōu)化設(shè)計(jì); 魯棒性

Class Number E927

1 引言

導(dǎo)彈舵系統(tǒng)是一種高可靠性產(chǎn)品,如果采用現(xiàn)場貯存試驗(yàn)來評估其可靠性,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取是一個(gè)漫長的過程,不便于可靠性評估。因此,有必要對舵系統(tǒng)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn),保證在失效機(jī)理不變的前提下,通過其加速模型,利用高應(yīng)力水平下的壽命特征取評估舵系統(tǒng)在正常應(yīng)力水平下的壽命特征。以便在較短時(shí)間內(nèi),獲得其失效數(shù)據(jù),繼而對其進(jìn)行可靠性評估。加速壽命試驗(yàn)的目的是利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)品的可靠性,因此試驗(yàn)方案的合理性直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性的預(yù)測結(jié)果,決定了評估結(jié)果的真實(shí)可信程度。

而對舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可有效提高試驗(yàn)效率和舵系統(tǒng)在貯存應(yīng)力下壽命指標(biāo)估計(jì)值的精確度。優(yōu)化試驗(yàn)方案是在一定約束條件下,目標(biāo)函數(shù)取得最小值所對應(yīng)的一組方案。目前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火等優(yōu)化方法,對于復(fù)雜的優(yōu)化過程有很好的效果[1]。根據(jù)在舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)中應(yīng)力水平的具體特點(diǎn),論文采用迭代的方法來搜索目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

2 舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 加速試驗(yàn)方案相關(guān)參數(shù)的確定

舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)以溫度和濕度作為加速應(yīng)力。在對舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)之前,先確定相關(guān)參數(shù)。

1) 溫度應(yīng)力水平

溫度應(yīng)力的取值范圍在正常貯存溫度和最高承受溫度之間,即T∈(20,60),相應(yīng)的溫度應(yīng)力水平為

相應(yīng)的溫度應(yīng)力轉(zhuǎn)換水平范圍為x∈(3.002×10-3,3.411×10-3)。

2) 濕度應(yīng)力水平

濕度應(yīng)力的取值范圍在正常貯存濕度和最高承受濕度之間,即H∈(50%,95%),相應(yīng)的濕度應(yīng)力水平為

相應(yīng)的溫度應(yīng)力轉(zhuǎn)換水平范圍為y∈(-0.0513,-0.6931)。

3) 各組試驗(yàn)截尾時(shí)間

根據(jù)前期工程經(jīng)驗(yàn)及舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)的可行性,取加速試驗(yàn)截尾時(shí)間上限τU=150天。

4) 優(yōu)化模型參數(shù)初始值

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前,給定模型參數(shù)先驗(yàn)值,作為優(yōu)化設(shè)計(jì)模型參數(shù)的初始值[1]。舵系統(tǒng)以溫度和濕度為加速應(yīng)力的加速模型為

lnθ=β0+β1x+β2y

(1)

加速模型參數(shù)的先驗(yàn)值β*=[-26.6,9878.0324,-0.9]。

2.2 舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)優(yōu)化準(zhǔn)則

方案以舵系統(tǒng)貯存應(yīng)力水平下,p階分位壽命漸近方差最小為準(zhǔn)則,對舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)式(2)舵系統(tǒng)的加速模型為指數(shù)分布,壽命分布參數(shù)μ的表達(dá)式為

μ=lnθ=β0+β1x+β2y

(2)

由極值分布的性質(zhì),舵系統(tǒng)在正常貯存應(yīng)力水平下的p階分位壽命為[3]

?p(x0,y0)=μ(x0,y0)+γp=β0+β1x0+β2y0+γp

(3)

其中,γp為標(biāo)準(zhǔn)極值分布的p階分位數(shù)。當(dāng)p=0.5時(shí),γ0.5=-0.3665,此時(shí)?p(x0,y0)即為舵系統(tǒng)的中位壽命。

2.3 舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

舵系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

Ψ=AVar[?p(x0,y0)]

(4)

其中,AVar[?p(x0,y0)]為正常貯存應(yīng)力水平下舵系統(tǒng)的p階分位壽命漸近方差。

由δ方法[1]可得:

AVar[?p(x0,y0)]=ETVE

(5)

其中,

(6)

參數(shù)估計(jì)值的方差協(xié)方差矩陣V是Fisher信息矩陣F的逆矩陣[5],即V=F-1。Fisher信息矩陣是對數(shù)似然函數(shù)負(fù)二階偏導(dǎo)數(shù)矩陣的數(shù)學(xué)期望[5],即

(7)

其中,L為舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)的對數(shù)似然函數(shù)。

假設(shè)舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)的樣本量為n,每組試驗(yàn)下的樣本量為nνi,νi為每組試驗(yàn)中樣本比例。這里直接給出Fisher信息矩陣如下

(8)

因此,舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表示為

AVar[?p(x0,y0)]=ETF-1E

(9)

式中,NU為應(yīng)力水平組合數(shù)為U時(shí)的方差因子。

由式(9)知,在n確定的情況下,舵系統(tǒng)的p階分位壽命漸近方差取決于NU。而NU是一個(gè)只與樣本分配比例νi、溫度和濕度應(yīng)力水平xi、yi、每組試驗(yàn)截尾時(shí)間τi有關(guān)的函數(shù)。因此,在舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化方案中需要進(jìn)行優(yōu)化的變量為樣本分配比例νi、溫度和濕度應(yīng)力水平xi、yi、每組試驗(yàn)截尾時(shí)間τi。若用Ω來表示優(yōu)化變量,則

Ω=(νi,xi,yi,τi) (i=1,2,…,U)

溫度和濕度的正常工作應(yīng)力水平T0和H0、最高應(yīng)力水平TU和HU、截尾時(shí)間τU在2.1節(jié)已確定。NU的大小只取決于溫度應(yīng)力T1,T2,…,TU-1和濕度應(yīng)力H1,H2,…,HU-1及樣本分配比例νi和每組試驗(yàn)的截尾時(shí)間τi。

對試驗(yàn)應(yīng)力采用等間隔設(shè)計(jì)[7],即

(10)

其中,xi=1/Ti+273.15,yi=lnHi。

根據(jù)式(10)可知,只要知道x1、xU和y1、yU就可以得到中間的各個(gè)應(yīng)力水平。TU和HU已經(jīng)給定,只需確定x1和y1即可。所以,簡化后的優(yōu)化變量表示為

Ω′=(νi,x1,y1,τi) (i=1,2,…,U)

綜上可以得出舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,其表達(dá)式為

(11)

2.4 方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

導(dǎo)彈舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案最優(yōu)搜索的具體過程如圖1所示,以U=4、U=5為例,優(yōu)化結(jié)果如表1、表2所示。

圖1 加速試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

測試次數(shù)M溫度應(yīng)力水平T/℃濕度應(yīng)力水平H樣本分配比例νi截尾時(shí)間τi/天……6460.740.393520.950.346560.650.345600.840.125……

表2 U=5時(shí)舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

在舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)過程中,測試次數(shù)需要合理選擇。論文利用方差因子相對百分比[8]來確定測試次數(shù),然后利用等對數(shù)間隔來確定測試時(shí)間。

方差因子百分比Rj,j+1的表達(dá)式為

(12)

其中,NU,j為觀測次數(shù)為j時(shí)的方差因子。

對于加速應(yīng)力水平組合數(shù)為U=4、5時(shí),方差因子相對比與觀測次數(shù)j之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 測試次數(shù)M與方差因子百分比Rj,j+1關(guān)系圖

從圖中可以看出,當(dāng)測試次數(shù)M≥6時(shí),方差因子百分比Rj,j+1基本穩(wěn)定下來,也就是說當(dāng)測試次數(shù)M≥6,觀測次數(shù)的變化對方差因子的影響已經(jīng)很小。

舵系統(tǒng)樣本量為12時(shí),最終確定舵系統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)方案

3 舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化方案敏感性分析

下面通過比較來分析模型參數(shù)對舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)優(yōu)化方案的敏感性[10]。模型偏差取值為±1%時(shí),舵系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化方案敏感性分析結(jié)果如表4所示。從表中可以看出,當(dāng)模型參數(shù)β0、β1、β2發(fā)生變化時(shí),樣本分配比例νi、截尾時(shí)間τi與最優(yōu)方案相比都有一定的變化,但方案仍具有較好的魯棒性?？紤]到試驗(yàn)方案對參數(shù)β0的敏感性,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)精確給出其初始估計(jì)值,以提高方案的設(shè)計(jì)及可靠性分析的精度。

表4 模型偏差±1%優(yōu)化方案的敏感性分析結(jié)果

4 結(jié)語

論文在舵系統(tǒng)加速試驗(yàn)方案基礎(chǔ)上對方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過引入均勻正交試驗(yàn)方法,確定了加速應(yīng)力的組合方式;以舵系統(tǒng)中位壽命漸近方差為目標(biāo)函數(shù),以極大似然估計(jì)理論為基礎(chǔ),對加速應(yīng)力水平及測試時(shí)間等變量進(jìn)行了優(yōu)化,確定了舵系統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方案,即選擇舵系統(tǒng)樣本量為12,每組樣本量取3,并確定了每組應(yīng)力水平下的等間隔測試時(shí)間。優(yōu)化方案的敏感性分析表明,優(yōu)化方案對參數(shù)具有較好的魯棒性。

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Design of Accelerated Life Test Optimized Plan for Missile Rudder System

LIU Aili KOU Kunhu

(Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

The accelerated life test plan of a missile rudder system is optimized in this paper. According to this optimization method, the design criterion is to minimize thePorder division asymptotic variance of the rudder’s life, so the optimization objective function is asymptotic variance. Through optimization calculation, the optimal values of stress levels, the proportionνiof every group’s distribution, the test time quantumτiof every group are worked out while different stresses of temperature and humidity are divided in 4 or 5 levels. The reasonable test number is 6 times comparing the variance factor relative percentage. Sensitivity analysis of the optimized plan shows that the plan has good robust to the parameters of the accelerated model.

missile rudder system, accelerated life test, optimization design, robustness of optimized ALT plan

2014年10月8日,

2014年11月21日

柳愛利,女,博士,教授,研究方向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制?？芾ズ?男,博士,講師,研究方向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

E927

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.030