氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性設計分析*

郭朋彥，任赟

氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性設計分析*

郭朋彥，任赟

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

文章針對氫燃料發動機由于燃燒機理尚不完全明確而在工作時經常受到不可預料的損傷現狀，從不確定性因素和時變兩個角度入手，為氫燃料發動機關鍵零部件的選擇了可靠度計算模型，分析了氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性優化設計模型，討論了基于盲數方法的氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性模型求解方法。

氫燃料；發動機；關鍵零部件；時變可靠性

前言

隨著環境污染、氣候變暖、能源危機的加劇，為車用動力尋找合適的替代燃料已經迫在眉睫[1-2]。氫能源作為車用燃料在能源與環保方面的優勢就十分突出，與其他動力裝置相比，氫燃料發動機最接近于利用現有內燃機的技術和較成熟的經驗與基礎，理應率先為市場所接受；所以，車用氫燃料發動機是當前內燃機行業的重要發展趨勢。

然而，因氫燃料本身的物化特性，其火焰傳播速度快，為汽油的7.7倍；點火能量低，易發生早燃、回火等異常燃燒；與相同質量的汽油等相比，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，使發動機工作粗暴，振動劇烈，其零部件受到的熱負荷和機械負荷較同等級別的普通發動機大。且氫燃料發動機的缸內燃燒機理尚不完全清楚，這使氫燃料發動機在工作時經常受到不可預料的損傷，直接影響著氫燃料發動機關鍵部件的正常運轉，所以研究氫燃料發動機關鍵部件在不確定性因素影響下的可靠性設計就顯得非常重要。

本文對車用氫燃料發動機關鍵零部件可靠性設計進行分析，以求從設計理念和計算方法等方面提升氫燃料發動機的可靠性，從而，彌補氫燃料發動機在燃燒機理、零部件制造工藝、材質、計算能力等方面的不足，推進氫燃料發動機的推廣應用。

1 氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠度計算模型

大多數機械結構可靠性研究集中在結構的普通可靠性計算和全生命周期范圍內可靠性預測及相應方法上。隨著機械設計理論的發展，機械結構的可靠性因受不確定性因素影響而產生的時變特性引起了越來越多的關注，出現了基于泊松、gamma等隨機過程和貝葉斯理論的實時可靠性研究。同時，作用在結構上的載荷也具有隨機時變特性，受隨機時變載荷及不確定性因素影響的機械結構的應力及抗力在服役過程中也不斷地變化和退化，并且同一類型結構在同一工況下也表現出不同的效能，其疲勞壽命可相差數倍之多，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構工程的研究上，主要分析結構的抗力及各種可靠度預測方法。

在工程實際中，氫燃料發動機因受到異常燃燒、工作環境、材料自身和結構參數等確定性因素和諸多不確定性因素的影響，其關鍵零部件的應力及抗力不斷變化，確定性因素反映了應力及抗力的變化趨勢，不確定性因素反映了應力及抗力的隨機差異，二者的耦合行為對應力及抗力產生的效應以概率演化的形式出現，即呈現為時變隨機過程。根據這種特點選擇閆永業、石博強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，根據氫燃料發動機零部件當前的應力值W0、強度值δ0、由觀測數據得到的應力（強度）漂移率μ和波動率ω即可預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動機零部件的時變可靠性預測模型，從而為其可靠性設計、使用和維護提供參考。

采用上述模型計算可靠度，需要知道零部件當前的應力值W0、強度值δ0、由觀測數據得到的應力/強度漂移率μ和波動率ω，這就需要測量大量的應力和強度值。然而，應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（如缸內燃燒壓力）來代替應力等方法來近似計算。

2 氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性優化設計模型

基于上述理論，利用已有相似運行工況的氫燃料發動機零部件的載荷（應力）、強度漂移率μ和波動率ω值可以進行新零部件的可靠性設計和可靠性優化設計。優化設計能夠使設計的產品在某些方面具有特殊的優勢，所以我們直接進行可靠性優化設計。氫燃料發動機零部件時變可靠性優化設計的一般建模思路是：在給定的未來某段時期T內零件可靠度這一約束條件下（一般是零件強度的可靠度不小于某個值），追求零件結構的經濟性最好（成本最低、重量最輕等，對于氫燃料發動機而言往往追求重量最輕或兼顧成本的情況下重量最輕）。根據零件結構特征及上述時變可靠度的計算方法建立目標函數和各約束函數，基于不確定性因素的時變可靠性優化模型一般可以表示為如下形式：

其中x為設計變量，(x)為目標函數，R為零件在未來時刻要求具有的可靠度，R為根據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，b為狀態變量，B(xab)為機構或系統需要滿足的其他約束。

基于不確定性因素的設計方法由于考慮了隨機、不確定性因素等帶來的影響，往往使設計出的產品較常規產品存在尺寸、重量過大，成本過高等缺陷，從而很難應用到工程實際中；而基于不確定性因素的時變可靠性優化設計則可使設計的產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，給出零件初始優化解，以便該方法在實際工程中的應用與推廣。該模型所求解的最優解是依賴于未來時刻的可靠度要求，且是一種動態的、非線性的和具有復雜的耦合機制的依賴關系。

3 氫燃料發動機關鍵零部件復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化設計模型中涉及多個參量，這些參量往往需要用復雜的隨機過程來描述，復雜隨機過程的應用往往使某一可靠性計算模型內同時存在兩種以上不同分布類型的隨機量，且各分布類型間要進行多次復雜運算，對于這種在同一模型里包含多種分布類型的復雜可靠度模型或優化模型若采用傳統方法來計算則十分繁瑣甚至可能無法求解。

基于盲數理論的方法為這種由不確定性參量構成復雜可靠性模型提供了一種行之有效的求解方法[8-10]。盲數作為一種離散化、數字化的表達方法和處理工具，其可以從微觀的角度表達包括隨機變量在內的所有不確定量，將其應用于基于隨機過程的復雜時變可靠性方法的計算可為這種復雜模型提供一種簡單而有效的求解方法，同時還可減少因數據擬合帶來的計算誤差及便于實現計算的程序化，從而有效提高計算準確性和計算效率。然而，盲數只有加減乘除四種運算方法，其將不確定變量數值化處理后，再進行運算時，會遇到海量的數據需要計算機來運算處理。這就需要在盲數框架內探尋最優化求解方法，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雜數學模型。

4 總結

本文針從不確定性因素和時變兩個角度入手，為氫燃料發動機關鍵零部件的選擇了可靠度計算模型，分析了氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性優化設計模型，討論了基于盲數方法的氫燃料發動機關鍵零部件時變可靠性模型求解方法，對氫燃料發動機關鍵零部件設計和推廣應用有一定的促進作用。

[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動機上的應用分析[J].汽車實用技術,2016(04):81-84.

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

[3] 石博強,段國晨,申焱華,余國卿.復雜機械系統時變不確定性設計方法[J].西安交通大學學報,2015,49(03):80-84+135.

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

[5] 唐歌騰,石博強,趙志國,付薛潔,李藤飛.驅動橋時變不確定性設計[J].北京理工大學學報,2011,31(07):785-789.

[6] 石博強,閆永業,范慧芳,趙德祥.時變不確定性機械設計方法[J].北京科技大學學報,2008(09):1050-1054.

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

[8] 郭朋彥,石博強,肖成勇,閆永業,李海鵬.基于盲數理論的機械結構復雜時變可靠性計算方法[J].農業機械學報,2010,41(09):210-213 +198.

[9] 李海鵬,石博強,張文明.基于盲數理論的機械強度可靠性優化設計[J].機械強度,2007(03):425-428.

[10] 石博強,趙德祥,李海鵬,肖成勇.基于盲數理論的最優化方法與程序實現[J].北京科技大學學報,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。*基金項目：河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃（13A460693）。