[發明專利]超深井提升容器多失效模式的可靠性穩健設計方法在審

申請號：	201711040357.2	申請日：	2017-10-31
公開（公告）號：	CN107832511A	公開（公告）日：	2018-03-23
發明（設計）人：	盧昊;朱真才;周公博;彭玉興;曹國華;李偉;沈剛;王大剛;江帆	申請（專利權）人：	中國礦業大學
主分類號：	G06F17/50	分類號：	G06F17/50
代理公司：	南京經緯專利商標代理有限公司32200	代理人：	王美章
地址：	221116 ***	國省代碼：	江蘇;32
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摘要：
搜索關鍵詞：	深井提升容器失效模式可靠性穩健設計方法
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【說明書】：

技術領域

本發明是一種針對超深井提升容器并考慮失效模式概率相關時的機械產品的系統可靠性穩健設計方法，屬于機械結構可靠性技術研究領域。

背景技術

我國目前大多數煤井都是淺井，深至地面500～800m，而煤炭資源埋藏深度在1000～2000m的約占總儲量的53％，必須采用千米深井提升系統(包括提升機、提升容器、提升鋼絲繩等)。提升容器負責裝卸載所開采的煤炭資源，在提升及下放過程中承受了較大的垂向載荷，且由于井下提升環境復雜，導致提升容器在動載荷作用下出現多種失效形式。考慮到提升容器結構本身的不確定性，以及提升過程中各種動載荷的不確定性，使得提升容器在運行過程中成為一種具有不確定參數的結構系統，同時也使得該系統在發生失效時，往往伴隨著多種不同的失效形式，且各失效形式間存在一定的概率相關性。因此，僅從單一失效模式定義提升容器的可靠性將降低提升容器可靠性評估的精度，導致在設計和后期維護中存在較大的偏差。采用基于可靠性的穩健設計方法，能夠降低結構不確定性對提升容器可靠性的影響程度，從而提高提升容器的安全性和可靠性。

發明內容

發明目的：本發明的目的是為超深井提升容器多失效模式聯合失效狀態下的系統可靠性評估與結構優化設計提供一種可行的概率建模與分析方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種超深井提升容器多失效模式的可靠性穩健設計方法，首先，根據超深井提升容器的結構尺寸建立提升容器的參數化模型；其次，根據提升容器隨機變量的概率特性，建立隨機變量的隨機抽樣矩陣，并采用有限元法分析抽樣矩陣下提升容器的強度響應與剛度響應；再次，使用Kriging方法建立隨機響應與隨機抽樣矩陣之間的映射關系，分別建立強度和剛度失效模式下的顯式功能函數；然后，使用鞍點逼近方法計算各失效模式下的失效概率；最后，通過Clayton copula函數構造失效模式間的聯合概率模型，使用系統可靠性方法求解聯合失效下的系統可靠性。

其實現步驟具體如下：

步驟1、確定超深井提升容器的尺寸參數、材料屬性參數及工況載荷的均值和方差，確定各參數的分布類型，建立提升容器的有限元模型；

步驟2、根據步驟1所確定的提升容器各基本參數的均值和方差，結合拉丁超立方抽樣試驗設計方法，獲得各組驅動參數下結構失效的隨機響應樣本；

步驟3、使用Kriging方法對步驟2中的輸入輸出樣本進行擬合，得到提升容器失效響應與結構性能參數的映射關系，依據提升容器失效的設計準則，分別建立各失效模式下的可靠性功能函數；

步驟4、根據基本參數的概率信息，使用基于矩的鞍點逼近方法分別求解各失效模式的失效概率；

步驟5、采用Clayton copula函數建立各失效模式概率相關時的聯合失效分布，進而結合系統可靠性理論建立聯合概率失效時的系統可靠性模型，求解系統失效概率；

步驟6、采用偏導方法建立提升容器系統可靠性關于隨機參數的靈敏度模型；

步驟7、在可靠性優化模型的基礎上，將步驟5及步驟6中得到的提升容器的參數靈敏度和系統失效概率作為約束函數，建立提升容器的可靠性穩健設計模型。

步驟1具體為：

確定提升容器結構尺寸和材料屬性的分布類型及均值、方差；

確定提升容器的載荷工況，以確定各工況下提升容器所承擔的靜載荷、彎矩和扭矩等載荷的分布類型及均值、方差；

基于以上信息建立提升容器的有限元分析模型。