[发明专利]超深井提升容器多失效模式的可靠性稳健设计方法

说明书

技术领域

本发明是一种针对超深井提升容器并考虑失效模式概率相关时的机械产品的系统可靠性稳健设计方法，属于机械结构可靠性技术研究领域。

背景技术

我国目前大多数煤井都是浅井，深至地面500～800m，而煤炭资源埋藏深度在1000～2000m的约占总储量的53％，必须采用千米深井提升系统(包括提升机、提升容器、提升钢丝绳等)。提升容器负责装卸载所开采的煤炭资源，在提升及下放过程中承受了较大的垂向载荷，且由于井下提升环境复杂，导致提升容器在动载荷作用下出现多种失效形式。考虑到提升容器结构本身的不确定性，以及提升过程中各种动载荷的不确定性，使得提升容器在运行过程中成为一种具有不确定参数的结构系统，同时也使得该系统在发生失效时，往往伴随着多种不同的失效形式，且各失效形式间存在一定的概率相关性。因此，仅从单一失效模式定义提升容器的可靠性将降低提升容器可靠性评估的精度，导致在设计和后期维护中存在较大的偏差。采用基于可靠性的稳健设计方法，能够降低结构不确定性对提升容器可靠性的影响程度，从而提高提升容器的安全性和可靠性。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为超深井提升容器多失效模式联合失效状态下的系统可靠性评估与结构优化设计提供一种可行的概率建模与分析方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种超深井提升容器多失效模式的可靠性稳健设计方法，首先，根据超深井提升容器的结构尺寸建立提升容器的参数化模型；其次，根据提升容器随机变量的概率特性，建立随机变量的随机抽样矩阵，并采用有限元法分析抽样矩阵下提升容器的强度响应与刚度响应；再次，使用Kriging方法建立随机响应与随机抽样矩阵之间的映射关系，分别建立强度和刚度失效模式下的显式功能函数；然后，使用鞍点逼近方法计算各失效模式下的失效概率；最后，通过Clayton copula函数构造失效模式间的联合概率模型，使用系统可靠性方法求解联合失效下的系统可靠性。

其实现步骤具体如下：

步骤1、确定超深井提升容器的尺寸参数、材料属性参数及工况载荷的均值和方差，确定各参数的分布类型，建立提升容器的有限元模型；

步骤2、根据步骤1所确定的提升容器各基本参数的均值和方差，结合拉丁超立方抽样试验设计方法，获得各组驱动参数下结构失效的随机响应样本；

步骤3、使用Kriging方法对步骤2中的输入输出样本进行拟合，得到提升容器失效响应与结构性能参数的映射关系，依据提升容器失效的设计准则，分别建立各失效模式下的可靠性功能函数；

步骤4、根据基本参数的概率信息，使用基于矩的鞍点逼近方法分别求解各失效模式的失效概率；

步骤5、采用Clayton copula函数建立各失效模式概率相关时的联合失效分布，进而结合系统可靠性理论建立联合概率失效时的系统可靠性模型，求解系统失效概率；

步骤6、采用偏导方法建立提升容器系统可靠性关于随机参数的灵敏度模型；

步骤7、在可靠性优化模型的基础上，将步骤5及步骤6中得到的提升容器的参数灵敏度和系统失效概率作为约束函数，建立提升容器的可靠性稳健设计模型。

步骤1具体为：

确定提升容器结构尺寸和材料属性的分布类型及均值、方差；

确定提升容器的载荷工况，以确定各工况下提升容器所承担的静载荷、弯矩和扭矩等载荷的分布类型及均值、方差；

基于以上信息建立提升容器的有限元分析模型。

步骤2具体为：

通过提升容器的参数化建模，形成建模的过程文件；

通过提升容器的有限元分析，形成有限元分析的过程文件；

其中，提升容器的结构参数包括提升容器的总体尺寸及底盘的尺寸；材料性能参数包括弹性模量、泊松比和密度；

应用拉丁超立方抽样试验设计方法，驱动提升容器的参数进行随机有限元分析，获得随机输入下的随机响应样本。

步骤3具体为：

使用Kriging方法对步骤2获得的输入输出样本进行拟合，建立随机响应与随机参数间的显式函数关系；

依据失效模式的设计准则，建立各失效模式下的可靠性功能函数，区别于提升系统的其它零部件，超深井提升容器为大型焊接结构件，在考察其强度可靠性时应当采用断裂力学分析，以其抗断裂性能作为强度设计的准则。

步骤4具体为：

采用随机摄动技术计算各功能函数的前三阶矩，即均值、方差和偏度，采用基于前三阶矩的鞍点逼近方法求解各失效模式的失效概率。

步骤5具体为：