[发明专利]一种基于多故障机理耦合的机械结构可靠性分析方法

说明书

本发明提供了一种针对具有多故障机理耦合作用的机械结构进行可靠性分析的方法，能够考虑考虑多个故障机理同时作用，以及交互作用，分析结构可靠度、可靠寿命、灵敏度。该方法主要包括5个步骤：确定损伤等效主参量，以损伤等效为基本原则，将多故障机理的作用使用同一参量表示；损伤等效物理模型构建，根据故障机理的贡献比例不同，可建立损伤叠加模型或修正系数模型；参数化仿真，通过调整参数控制结构几何形状、材料属性、载荷等，自动实现损伤等效物理模型的重构；故障物理模型随机性分析，考虑参数随机性，借助改进的一次可靠度方法等，分析结构可靠度、可靠性灵敏度、可靠寿命等；基于贝叶斯的模型随机性修正，充分利用产品研制、使用过程的数据，修正故障物理模型随机性结果，提高分析精度。

技术领域

本发明提供一种针对具有多故障机理耦合作用的机械结构进行可靠性分析的方法，属于机械设计、结构可靠性设计领域。

背景技术

机械结构的故障多属于耗损型故障，损伤则是用于描述结构或材料在载荷的作用下性能退化并导致破坏的物理过程。工程上许多结构件，如一些飞机构件，一般都以疲劳损伤为主。以发动机涡轮盘为例，发动机启动后连续工作数小时，然后停车若干小时，再下一次启动，为一次载荷循环。但是，涡盘工作环境温度较高，伴随发生蠕变。因此当研究它们的寿命时，既要考虑疲劳的破坏作用，又要考虑蠕变及其与疲劳的耦合效应。又如铁路机车轮轨，其损伤归因于两个方面的机理：疲劳裂纹与磨损。由于轮轨滚动接触疲劳与磨损是不可分离的两种损伤形式，因此它们之间存在有一定的相互作用关系。轮轨损伤过程中，疲劳裂纹与磨损是相互作用的。在某些工况和某个损伤阶段，其中一种损伤机理起着关键作用，而另一种损伤机理可能被忽略掉。在另一个损伤阶段或某些工况下，这两种破坏机理对轮轨的寿命同等重要或它们的耦合行为起到关键决定作用。放松或加重一个方面的破坏机理会直接影响到另一个机理的破坏过程，例如，用油润滑接触表面，起到了一定的减磨作用，但又进入表面裂纹又加速了裂纹的扩展速率。此外，疲劳裂纹萌生与磨损之间也是相互作用的，例如，严重的磨损表面上带有脱落的碎片，这些碎片直接影响小裂纹的形成与发展，因为严重磨损能够消除表面上的小裂纹。综合来看，这类结构的损伤亦是一个累积的过程，但不是单一故障机理的作用，而是多故障机理的耦合作用，当总的损伤量达到材料所允许的临界损伤量时，故障便随之出现了。

目前，对于结构单一故障机理的可靠性分析，在机械行业已经开展了相对多的研究工作，对多故障机理的可靠性研究尚处于起步阶段。针对“一果多因”的常见故障，如何考虑“多因”之间的耦合性，建立损伤耦合模型，从而实现定量的描述多故障机理的累积效应是关键；如何建立多故障机理的可靠性模型、可靠寿命预测模型，从而形成对多故障机理耦合作用下的可靠性设计分析技术是亟待解决的问题。因此本发明考虑多种故障机理之间的耦合作用，利用损伤等效、贝叶斯更新等理论，提出一种结构可靠性设计、分析方法，以解决结构在复杂、多种机理作用下的失效预测问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于结构发生多故障机理耦合失效的可靠性分析方法。通过可靠性分析，能够确定结构寿命、可靠度及其对因素的灵敏度。以两种机理为例，说明本方法的5个主要步骤：

1确定损伤等效主参量。选取各个故障机理的共有主参量，如应变、能量、损伤量等，以损伤等效为基本原则，借助多故障机理交互作用的力学机理分析，将多故障机理的作用影响使用同一参量表示，该参量即为损伤等效主参量。

2损伤等效物理模型构建。结合仿真和试验数据，用该主参量来表征两者交互作用对故障的贡献，从而可以线性叠加、非线性叠加的方式，将各单一机理的损伤，以及两故障机理交互作用的损伤，叠加获得总损伤，建立多机理的故障物理模型；或者按影响最终故障的主次，分为主要机理和次要机理，在主要机理模型中，将次要机理及其交互作用的影响通过修正系数的方式考虑进去，从而建立多机理的修正系数模型。

3参数化仿真。在利用CAE工具进行机械应力、应变等响应的仿真基础上，由结构主要影响因素确定参数，通过调整参数控制结构几何形状、材料属性、载荷等，自动实现损伤等效物理模型的重构，以便于多次仿真，进行随机性分析。