郭朋彥，任赟

氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性設(shè)計分析*

郭朋彥，任赟

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

文章針對氫燃料發(fā)動機(jī)由于燃燒機(jī)理尚不完全明確而在工作時經(jīng)常受到不可預(yù)料的損傷現(xiàn)狀，從不確定性因素和時變兩個角度入手，為氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件的選擇了可靠度計算模型，分析了氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性優(yōu)化設(shè)計模型，討論了基于盲數(shù)方法的氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性模型求解方法。

氫燃料；發(fā)動機(jī)；關(guān)鍵零部件；時變可靠性

前言

隨著環(huán)境污染、氣候變暖、能源危機(jī)的加劇，為車用動力尋找合適的替代燃料已經(jīng)迫在眉睫[1-2]。氫能源作為車用燃料在能源與環(huán)保方面的優(yōu)勢就十分突出，與其他動力裝置相比，氫燃料發(fā)動機(jī)最接近于利用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)和較成熟的經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)，理應(yīng)率先為市場所接受；所以，車用氫燃料發(fā)動機(jī)是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。

然而，因氫燃料本身的物化特性，其火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，為汽油?.7倍；點(diǎn)火能量低，易發(fā)生早燃、回火等異常燃燒；與相同質(zhì)量的汽油等相比，氫的熱值高，燃燒時壓力升高率、最高燃燒壓力和最高燃燒溫度較高，使發(fā)動機(jī)工作粗暴，振動劇烈，其零部件受到的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷較同等級別的普通發(fā)動機(jī)大。且氫燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)燃燒機(jī)理尚不完全清楚，這使氫燃料發(fā)動機(jī)在工作時經(jīng)常受到不可預(yù)料的損傷，直接影響著氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以研究氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件在不確定性因素影響下的可靠性設(shè)計就顯得非常重要。

本文對車用氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件可靠性設(shè)計進(jìn)行分析，以求從設(shè)計理念和計算方法等方面提升氫燃料發(fā)動機(jī)的可靠性，從而，彌補(bǔ)氫燃料發(fā)動機(jī)在燃燒機(jī)理、零部件制造工藝、材質(zhì)、計算能力等方面的不足，推進(jìn)氫燃料發(fā)動機(jī)的推廣應(yīng)用。

1 氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠度計算模型

大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性研究集中在結(jié)構(gòu)的普通可靠性計算和全生命周期范圍內(nèi)可靠性預(yù)測及相應(yīng)方法上。隨著機(jī)械設(shè)計理論的發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性因受不確定性因素影響而產(chǎn)生的時變特性引起了越來越多的關(guān)注，出現(xiàn)了基于泊松、gamma等隨機(jī)過程和貝葉斯理論的實(shí)時可靠性研究。同時，作用在結(jié)構(gòu)上的載荷也具有隨機(jī)時變特性，受隨機(jī)時變載荷及不確定性因素影響的機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及抗力在服役過程中也不斷地變化和退化，并且同一類型結(jié)構(gòu)在同一工況下也表現(xiàn)出不同的效能，其疲勞壽命可相差數(shù)倍之多，存在很大分散性。這些時變可靠性研究大多集中在鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)工程的研究上，主要分析結(jié)構(gòu)的抗力及各種可靠度預(yù)測方法。

在工程實(shí)際中，氫燃料發(fā)動機(jī)因受到異常燃燒、工作環(huán)境、材料自身和結(jié)構(gòu)參數(shù)等確定性因素和諸多不確定性因素的影響，其關(guān)鍵零部件的應(yīng)力及抗力不斷變化，確定性因素反映了應(yīng)力及抗力的變化趨勢，不確定性因素反映了應(yīng)力及抗力的隨機(jī)差異，二者的耦合行為對應(yīng)力及抗力產(chǎn)生的效應(yīng)以概率演化的形式出現(xiàn)，即呈現(xiàn)為時變隨機(jī)過程。根據(jù)這種特點(diǎn)選擇閆永業(yè)、石博強(qiáng)等人提出的基于不確定性因素的時變可靠度計算方法[3-7]，即，即，根據(jù)氫燃料發(fā)動機(jī)零部件當(dāng)前的應(yīng)力值W0、強(qiáng)度值δ0、由觀測數(shù)據(jù)得到的應(yīng)力（強(qiáng)度）漂移率μ和波動率ω即可預(yù)測該部件在未來任意時刻T的可靠度。通過這種計算可建立氫燃料發(fā)動機(jī)零部件的時變可靠性預(yù)測模型，從而為其可靠性設(shè)計、使用和維護(hù)提供參考。

采用上述模型計算可靠度，需要知道零部件當(dāng)前的應(yīng)力值W0、強(qiáng)度值δ0、由觀測數(shù)據(jù)得到的應(yīng)力/強(qiáng)度漂移率μ和波動率ω，這就需要測量大量的應(yīng)力和強(qiáng)度值。然而，應(yīng)力的測量在許多情況下是很難完成，或者測量值不是那么準(zhǔn)確；這時我們可以采用其他更加容易測量的等效物理量，例如，通過測量載荷（如缸內(nèi)燃燒壓力）來代替應(yīng)力等方法來近似計算。

2 氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性優(yōu)化設(shè)計模型

基于上述理論，利用已有相似運(yùn)行工況的氫燃料發(fā)動機(jī)零部件的載荷（應(yīng)力）、強(qiáng)度漂移率μ和波動率ω值可以進(jìn)行新零部件的可靠性設(shè)計和可靠性優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計能夠使設(shè)計的產(chǎn)品在某些方面具有特殊的優(yōu)勢，所以我們直接進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計。氫燃料發(fā)動機(jī)零部件時變可靠性優(yōu)化設(shè)計的一般建模思路是：在給定的未來某段時期T內(nèi)零件可靠度這一約束條件下（一般是零件強(qiáng)度的可靠度不小于某個值），追求零件結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性最好（成本最低、重量最輕等，對于氫燃料發(fā)動機(jī)而言往往追求重量最輕或兼顧成本的情況下重量最輕）。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征及上述時變可靠度的計算方法建立目標(biāo)函數(shù)和各約束函數(shù)，基于不確定性因素的時變可靠性優(yōu)化模型一般可以表示為如下形式：

其中x為設(shè)計變量，(x)為目標(biāo)函數(shù)，R為零件在未來時刻要求具有的可靠度，R為根據(jù)上述時變可靠度計算方法求得的未來時刻時零件的可靠度；a為不確定性參數(shù)，b為狀態(tài)變量，B(xab)為機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)需要滿足的其他約束。

基于不確定性因素的設(shè)計方法由于考慮了隨機(jī)、不確定性因素等帶來的影響，往往使設(shè)計出的產(chǎn)品較常規(guī)產(chǎn)品存在尺寸、重量過大，成本過高等缺陷，從而很難應(yīng)用到工程實(shí)際中；而基于不確定性因素的時變可靠性優(yōu)化設(shè)計則可使設(shè)計的產(chǎn)品在成本不增加或增加不多的情況下，同時兼顧不確定性因素影響和未來時刻可靠度的要求，給出零件初始優(yōu)化解，以便該方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用與推廣。該模型所求解的最優(yōu)解是依賴于未來時刻的可靠度要求，且是一種動態(tài)的、非線性的和具有復(fù)雜的耦合機(jī)制的依賴關(guān)系。

3 氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件復(fù)雜時變可靠性模型求解方法

基于不確定性因素的時變可靠度計算模型及優(yōu)化設(shè)計模型中涉及多個參量，這些參量往往需要用復(fù)雜的隨機(jī)過程來描述，復(fù)雜隨機(jī)過程的應(yīng)用往往使某一可靠性計算模型內(nèi)同時存在兩種以上不同分布類型的隨機(jī)量，且各分布類型間要進(jìn)行多次復(fù)雜運(yùn)算，對于這種在同一模型里包含多種分布類型的復(fù)雜可靠度模型或優(yōu)化模型若采用傳統(tǒng)方法來計算則十分繁瑣甚至可能無法求解。

基于盲數(shù)理論的方法為這種由不確定性參量構(gòu)成復(fù)雜可靠性模型提供了一種行之有效的求解方法[8-10]。盲數(shù)作為一種離散化、數(shù)字化的表達(dá)方法和處理工具，其可以從微觀的角度表達(dá)包括隨機(jī)變量在內(nèi)的所有不確定量，將其應(yīng)用于基于隨機(jī)過程的復(fù)雜時變可靠性方法的計算可為這種復(fù)雜模型提供一種簡單而有效的求解方法，同時還可減少因數(shù)據(jù)擬合帶來的計算誤差及便于實(shí)現(xiàn)計算的程序化，從而有效提高計算準(zhǔn)確性和計算效率。然而，盲數(shù)只有加減乘除四種運(yùn)算方法，其將不確定變量數(shù)值化處理后，再進(jìn)行運(yùn)算時，會遇到海量的數(shù)據(jù)需要計算機(jī)來運(yùn)算處理。這就需要在盲數(shù)框架內(nèi)探尋最優(yōu)化求解方法，以提高計算速度；同時，也需要探尋其他簡單易行的方法來求解這種復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。

4 總結(jié)

本文針從不確定性因素和時變兩個角度入手，為氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件的選擇了可靠度計算模型，分析了氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性優(yōu)化設(shè)計模型，討論了基于盲數(shù)方法的氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件時變可靠性模型求解方法，對氫燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計和推廣應(yīng)用有一定的促進(jìn)作用。

[1] 郭朋彥,劉子川,邵方閣,申方,陳磊.氫氨清潔無污染無碳燃料在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2016(04):81-84.

[2] 郭朋彥,申方,王麗君,邵方閣,周鵬.氨燃料發(fā)動機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].車用發(fā)動機(jī),2016(03):1-5+13.

[3] 石博強(qiáng),段國晨,申焱華,余國卿.復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)時變不確定性設(shè)計方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2015,49(03):80-84+135.

[4] 石博強(qiáng),唐歌騰.井下車用零件多裂紋擴(kuò)展的時變可靠性分析[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,35(01):97-100.

[5] 唐歌騰,石博強(qiáng),趙志國,付薛潔,李藤飛.驅(qū)動橋時變不確定性設(shè)計[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2011,31(07):785-789.

[6] 石博強(qiáng),閆永業(yè),范慧芳,趙德祥.時變不確定性機(jī)械設(shè)計方法[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2008(09):1050-1054.

[7] 閆永業(yè),石博強(qiáng).考慮不確定性因素的時變可靠度計算方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2007(11):1303-1306.

[8] 郭朋彥,石博強(qiáng),肖成勇,閆永業(yè),李海鵬.基于盲數(shù)理論的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜時變可靠性計算方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2010,41(09):210-213 +198.

[9] 李海鵬,石博強(qiáng),張文明.基于盲數(shù)理論的機(jī)械強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械強(qiáng)度,2007(03):425-428.

[10] 石博強(qiáng),趙德祥,李海鵬,肖成勇.基于盲數(shù)理論的最優(yōu)化方法與程序?qū)崿F(xiàn)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2007(05):523-527.

Analysis of time-dependent reliability design for key components of hydrogen fueled engines*

Guo Pengyan, Ren Yun

( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )

Aiming at the fact that hydrogen fuel engines are often subject to unpredictable damage due to the unclear combustion mechanism, the reliability calculation models for the key components of hydrogen fuel engines were chosen from the perspective of uncertainty and time-varying factors. And, the time-varying reliability optimization design models of the key components of hydrogen fuel engine were analyzed. And then, the methods of solving the time-varying reliability model for key components of hydrogen fuel engine based on the blind number methods were discussed.

hydrogen fuel; engine; key components; time-dependent reliability

TK46, TB114

A

1671-7988(2019)24-174-03

TK46, TB114

A

1671-7988(2019)24-174-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.057

郭朋彥，副教授，就職于華北水利水電大學(xué)。*基金項目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目資助計劃（13A460693）。