氢燃料发动机关键零部件时变可靠性设计分析*

郭朋彦，任赟

氢燃料发动机关键零部件时变可靠性设计分析*

郭朋彦，任赟

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

文章针对氢燃料发动机由于燃烧机理尚不完全明确而在工作时经常受到不可预料的损伤现状，从不确定性因素和时变两个角度入手，为氢燃料发动机关键零部件的选择了可靠度计算模型，分析了氢燃料发动机关键零部件时变可靠性优化设计模型，讨论了基于盲数方法的氢燃料发动机关键零部件时变可靠性模型求解方法。

氢燃料；发动机；关键零部件；时变可靠性

前言

随着环境污染、气候变暖、能源危机的加剧，为车用动力寻找合适的替代燃料已经迫在眉睫[1-2]。氢能源作为车用燃料在能源与环保方面的优势就十分突出，与其他动力装置相比，氢燃料发动机最接近于利用现有内燃机的技术和较成熟的经验与基础，理应率先为市场所接受；所以，车用氢燃料发动机是当前内燃机行业的重要发展趋势。

然而，因氢燃料本身的物化特性，其火焰传播速度快，为汽油的7.7倍；点火能量低，易发生早燃、回火等异常燃烧；与相同质量的汽油等相比，氢的热值高，燃烧时压力升高率、最高燃烧压力和最高燃烧温度较高，使发动机工作粗暴，振动剧烈，其零部件受到的热负荷和机械负荷较同等级别的普通发动机大。且氢燃料发动机的缸内燃烧机理尚不完全清楚，这使氢燃料发动机在工作时经常受到不可预料的损伤，直接影响着氢燃料发动机关键部件的正常运转，所以研究氢燃料发动机关键部件在不确定性因素影响下的可靠性设计就显得非常重要。

本文对车用氢燃料发动机关键零部件可靠性设计进行分析，以求从设计理念和计算方法等方面提升氢燃料发动机的可靠性，从而，弥补氢燃料发动机在燃烧机理、零部件制造工艺、材质、计算能力等方面的不足，推进氢燃料发动机的推广应用。

1 氢燃料发动机关键零部件时变可靠度计算模型

大多数机械结构可靠性研究集中在结构的普通可靠性计算和全生命周期范围内可靠性预测及相应方法上。随着机械设计理论的发展，机械结构的可靠性因受不确定性因素影响而产生的时变特性引起了越来越多的关注，出现了基于泊松、gamma等随机过程和贝叶斯理论的实时可靠性研究。同时，作用在结构上的载荷也具有随机时变特性，受随机时变载荷及不确定性因素影响的机械结构的应力及抗力在服役过程中也不断地变化和退化，并且同一类型结构在同一工况下也表现出不同的效能，其疲劳寿命可相差数倍之多，存在很大分散性。这些时变可靠性研究大多集中在钢筋混凝土等结构工程的研究上，主要分析结构的抗力及各种可靠度预测方法。

在工程实际中，氢燃料发动机因受到异常燃烧、工作环境、材料自身和结构参数等确定性因素和诸多不确定性因素的影响，其关键零部件的应力及抗力不断变化，确定性因素反映了应力及抗力的变化趋势，不确定性因素反映了应力及抗力的随机差异，二者的耦合行为对应力及抗力产生的效应以概率演化的形式出现，即呈现为时变随机过程。根据这种特点选择闫永业、石博强等人提出的基于不确定性因素的时变可靠度计算方法[3-7]，即，即，根据氢燃料发动机零部件当前的应力值W0、强度值δ0、由观测数据得到的应力（强度）漂移率μ和波动率ω即可预测该部件在未来任意时刻T的可靠度。通过这种计算可建立氢燃料发动机零部件的时变可靠性预测模型，从而为其可靠性设计、使用和维护提供参考。

采用上述模型计算可靠度，需要知道零部件当前的应力值W0、强度值δ0、由观测数据得到的应力/强度漂移率μ和波动率ω，这就需要测量大量的应力和强度值。然而，应力的测量在许多情况下是很难完成，或者测量值不是那么准确；这时我们可以采用其他更加容易测量的等效物理量，例如，通过测量载荷（如缸内燃烧压力）来代替应力等方法来近似计算。

2 氢燃料发动机关键零部件时变可靠性优化设计模型

基于上述理论，利用已有相似运行工况的氢燃料发动机零部件的载荷（应力）、强度漂移率μ和波动率ω值可以进行新零部件的可靠性设计和可靠性优化设计。优化设计能够使设计的产品在某些方面具有特殊的优势，所以我们直接进行可靠性优化设计。氢燃料发动机零部件时变可靠性优化设计的一般建模思路是：在给定的未来某段时期T内零件可靠度这一约束条件下（一般是零件强度的可靠度不小于某个值），追求零件结构的经济性最好（成本最低、重量最轻等，对于氢燃料发动机而言往往追求重量最轻或兼顾成本的情况下重量最轻）。根据零件结构特征及上述时变可靠度的计算方法建立目标函数和各约束函数，基于不确定性因素的时变可靠性优化模型一般可以表示为如下形式：

其中x为设计变量，(x)为目标函数，R为零件在未来时刻要求具有的可靠度，R为根据上述时变可靠度计算方法求得的未来时刻时零件的可靠度；a为不确定性参数，b为状态变量，B(xab)为机构或系统需要满足的其他约束。

基于不确定性因素的设计方法由于考虑了随机、不确定性因素等带来的影响，往往使设计出的产品较常规产品存在尺寸、重量过大，成本过高等缺陷，从而很难应用到工程实际中；而基于不确定性因素的时变可靠性优化设计则可使设计的产品在成本不增加或增加不多的情况下，同时兼顾不确定性因素影响和未来时刻可靠度的要求，给出零件初始优化解，以便该方法在实际工程中的应用与推广。该模型所求解的最优解是依赖于未来时刻的可靠度要求，且是一种动态的、非线性的和具有复杂的耦合机制的依赖关系。

3 氢燃料发动机关键零部件复杂时变可靠性模型求解方法

基于不确定性因素的时变可靠度计算模型及优化设计模型中涉及多个参量，这些参量往往需要用复杂的随机过程来描述，复杂随机过程的应用往往使某一可靠性计算模型内同时存在两种以上不同分布类型的随机量，且各分布类型间要进行多次复杂运算，对于这种在同一模型里包含多种分布类型的复杂可靠度模型或优化模型若采用传统方法来计算则十分繁琐甚至可能无法求解。

基于盲数理论的方法为这种由不确定性参量构成复杂可靠性模型提供了一种行之有效的求解方法[8-10]。盲数作为一种离散化、数字化的表达方法和处理工具，其可以从微观的角度表达包括随机变量在内的所有不确定量，将其应用于基于随机过程的复杂时变可靠性方法的计算可为这种复杂模型提供一种简单而有效的求解方法，同时还可减少因数据拟合带来的计算误差及便于实现计算的程序化，从而有效提高计算准确性和计算效率。然而，盲数只有加减乘除四种运算方法，其将不确定变量数值化处理后，再进行运算时，会遇到海量的数据需要计算机来运算处理。这就需要在盲数框架内探寻最优化求解方法，以提高计算速度；同时，也需要探寻其他简单易行的方法来求解这种复杂数学模型。

4 总结

本文针从不确定性因素和时变两个角度入手，为氢燃料发动机关键零部件的选择了可靠度计算模型，分析了氢燃料发动机关键零部件时变可靠性优化设计模型，讨论了基于盲数方法的氢燃料发动机关键零部件时变可靠性模型求解方法，对氢燃料发动机关键零部件设计和推广应用有一定的促进作用。

[1] 郭朋彦,刘子川,邵方阁,申方,陈磊.氢氨清洁无污染无碳燃料在发动机上的应用分析[J].汽车实用技术,2016(04):81-84.

[2] 郭朋彦,申方,王丽君,邵方阁,周鹏.氨燃料发动机研究现状及发展趋势[J].车用发动机,2016(03):1-5+13.

[3] 石博强,段国晨,申焱华,余国卿.复杂机械系统时变不确定性设计方法[J].西安交通大学学报,2015,49(03):80-84+135.

[4] 石博强,唐歌腾.井下车用零件多裂纹扩展的时变可靠性分析[J]. 东北大学学报(自然科学版),2014,35(01):97-100.

[5] 唐歌腾,石博强,赵志国,付薛洁,李藤飞.驱动桥时变不确定性设计[J].北京理工大学学报,2011,31(07):785-789.

[6] 石博强,闫永业,范慧芳,赵德祥.时变不确定性机械设计方法[J].北京科技大学学报,2008(09):1050-1054.

[7] 闫永业,石博强.考虑不确定性因素的时变可靠度计算方法[J].西安交通大学学报,2007(11):1303-1306.

[8] 郭朋彦,石博强,肖成勇,闫永业,李海鹏.基于盲数理论的机械结构复杂时变可靠性计算方法[J].农业机械学报,2010,41(09):210-213 +198.

[9] 李海鹏,石博强,张文明.基于盲数理论的机械强度可靠性优化设计[J].机械强度,2007(03):425-428.

[10] 石博强,赵德祥,李海鹏,肖成勇.基于盲数理论的最优化方法与程序实现[J].北京科技大学学报,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

郭朋彦，副教授，就职于华北水利水电大学。*基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目资助计划（13A460693）。