[發明專利]一種機械零部件結構的可靠性分析方法

有效

• 申請號: 201810240497.2
• 申請日: 2018-03-22
• 公開（公告）號: CN108491627B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 楊周;胡全全;王標;周忠凱;姚旭東
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14;G06F119/02
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種機械零部件結構的可靠性分析方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

對機械零部件進行受力分析，獲取零部件載荷形式和大小，以及零部件的幾何尺寸，確定基本隨機變量，構建初始極限狀態方程,如下式所示：

g(X)＝R-σ (1)

其中，g(X)為極限狀態方程；X為隨機變量的參數向量，X＝[X₁ X₂…X_n]，n為隨機變量的個數；R為材料強度；σ為零部件應力；

構建機械零部件的三維參數化模型，在Workbench中將機械零部件基本隨機變量標注為參數，通過AsysWorkbench有限元軟件對機械零部件進行靜力學分析，獲取特定部位的最大應力；

基于AnsysWorkbench有限元軟件的分析結果，通過Workbench的Six Sigma Analysis優化模塊，采用拉丁超立方抽樣方法，對基本變量隨機抽取足夠的樣本進行DOE實驗，獲取對應的最大應力值的實驗數據；在進行所述DOE實驗時，基于Workbench的Six SigmaAnalysis優化模塊，以影響機械零件應力的幾何尺寸為輸入變量、最大應力為輸出變量進行實驗，來獲取實驗數據；根據實驗數據，利用BP神經網絡擬合出最大應力的連續函數，如下式所示：

其中，Y_q(X)為BP神經網絡的第q個輸出函數，q＝1,2,…,Nq；w_gj和b_1j分別為輸入層神經元到隱含層神經元的網絡連接權值和閾值；v_j和b_2q分別為隱含層神經元到輸出層神經元的網絡連接權值和閾值；N_j為隱含層神經元個數；為隱含層傳遞函數；N_g為輸入層神經元個數；x_g為第g個神經元的輸入值；

利用BP神經網絡擬合出最大應力與各隨機變量的函數；

考慮強度退化情況下，構建機械零部件的極限狀態方程，具體過程如下：

根據Schaff的剩余強度理論，強度隨時間逐漸發生退化時，通過將零部件的初始強度r₀和工作時長t聯合表示出零部件在該時刻的剩余強度r(t)，剩余強度模型如下式所示；

其中，X_max(m)為零件失效時載荷峰值；m為載荷的循環次數；M為載荷作用零部件的總循環次數；c為材料指數；

將載荷作用零部件的總循環次數M看作零部件的工作總時間T，把載荷作用m次比作載荷工作了t時間，隨時間變化的剩余強度函數與載荷的循環數m為壽命度量指標的傳統強度退化理論相融合，改進為以時間為度量指標的剩余強度模型，如下式所示；

將考慮強度退化的零件的應力-強度可靠性模型通過隨機過程模擬，獲取機械零部件極限狀態方程的表達式為

其中，a_n為載荷服從極值I型分布時一個參數，σ_max為BP神經網絡擬合得到的最大應力函數；t_i表示第i個時間段；

根據極限狀態方程對機械零部件進行可靠性分析和計算，得到機械零部件的可靠性分析結果；具體過程如下：

根據獲得的機械零部件極限狀態方程，對零部件進行可靠度計算，零部件的時變可靠性指標與時變可靠度計算式分別如下兩式所示：

R(t)＝Φ(β(t)) (9)

其中，β(t)、R(t)分別表示時變可靠性指標與時變可靠度；μ_g、σ_g分別表示極限狀態方程的均值和標準差；

根據獲得的機械零部件極限狀態方程，對零部件進行可靠性靈敏度分析計算，根據應力—強度干涉理論，可靠度對初始參數均值μ_x和標準差σ_x的靈敏度分別如下兩式所示：

其中，

把已知條件和可靠性計算結果代入式(10)和式(11)，獲得可靠性均值靈敏度和標準差靈敏度完成可靠性分析。