基于多失效模式的扭簧可靠性优化分析

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1、2011年10月中国空间科学技术57第5‘期ChineseSpaceScienceandTechnology基于多失效模式的扭簧可靠性优化分析王梅陈国定肖勇(西北工业大学，西安710072)(西安空间无线电技术研究所，西安710100)摘要基于广义应力一广义强度分布干涉理论和单一失效模式下扭簧可靠性计算模型，建立了多失效模式下扭簧可靠度优化数学模型，采用规格化加权法进行各失效模式影响相同(等失效效应)和有差异(非等失效效应)两种情况下的扭簧可靠度计算。在给定扭簧结构和工况约束条件下，应用提出的计算模型和技术进行了失效模式影响相同和有差异的基于可靠度最大的扭簧结构优化，与非

2、优化结构的扭簧可靠度的比较，以及这两种情况下的扭簧可靠度比较。结果表明，提出的可靠度优化模型和方法是可靠和有效的，对于航天工程中零部件的可靠性优化分析具有很好的借鉴作用。关键词扭簧失效模式可靠性优化展开机构卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．05．0081引言作为太阳翼板和卫星展开桁架的动力元件，扭簧的可靠性直接影响到航天器和卫星的工作性能和可靠性。扭簧的可靠性是对应不同失效模式的可靠性集合，因此，提高扭簧对应某些失效模式下的可靠性，从而在规定的结构工况约束下最大限度地提高扭簧整体可靠性，是十分重要和必要的。文献i-1]在满足给定的强度

3、和扭簧扭转角度条件下，进行了扭簧质量最小的优化分析；文献[2]则基于静破坏和疲劳破坏两种失效模式，以弹簧刚度误差最小和质量最小为优化目标进行了螺旋弹簧的多目标优化；文献[3]采用了模糊理论进行了约束条件处于模糊状态下的碟形弹簧可靠性优化；文献[4]则基于疲劳破坏失效模式进行了拉(压)弹簧的可靠性优化。从已有的有关扭簧可靠性优化研究来看，针对单一失效模式的扭簧可靠性优化研究较多，而在多失效模式下的可靠性优化研究较为少见，应用于航天工程设备中的扭簧大多有发生多种形式失效的可能，因此开展基于多种失效模式下的扭簧可靠性优化研究是很有必要的。本文基于广义应力一广义强度分布干涉理论和

4、单一失效模式下扭簧可靠性计算模型，建立了基于多失效模式下扭簧可靠度优化数学模型，计算实例的对比支持了本文分析方法和结果的正确性。2理论分析及其关键技术2．1基于广义应力一广义强度干涉的可靠度‘51广义应力一广义强度分布干涉理论是机械零部件可靠性分析中应用广泛的可靠性理论。对于广义应力和广义强度分布都是正态分布的情况，基于广义应力一广义强度分布干涉理论的机械零部件收稿IEI期：2010—11—08。收修改稿日期z2011—03—30§§主垦窒回登兰垫查!Q!!生!!旦可靠度计算公式表示为肛剖一-毒=exp(--专Ⅺ炉认钮’q’式中认*)是标准正态分布函数；孙是可靠度指数，孙

5、一考2了蠡轰；弓=否一-．Y一、Sy分别是随机变量y的分布的均值和标准差；z是变量代换值，z一孚；否、孑与s、s分别为广义强度艿和广义应力口的均值和标准差。零件的可靠度在计算出可靠度指数后，可以通过查取标准正态分布函数值获得。2．2基于若干失效模式的扭簧可靠度基于静破坏失效的扭簧可靠度为驴妣s卜庐(播轰)㈣式中[粕]及；一，和s[～]及S～分别是扭簧许用弯曲应力及收拢状态下扭簧弯曲应力的均值和标准差。基于应力松弛失效的扭簧可靠度为耻北护声(最)㈣式中Mh，及M一，和SMh。，及SM唧，分别是发生应力松弛后的扭簧收拢扭矩及以保证工作面精度要求的扭簧临界收拢扭矩的均值和标准差

6、；应力松弛造成的扭簧收拢扭矩松弛量计算公式为[63学×100％一口o+blnz(4)式中￡是应力松弛的时间；‰和b是常数；AMn是经过h小时应力松弛后扭矩的衰减量；M。，是扭簧收拢扭矩。应力松弛后的扭簧收拢扭矩为Mh。=M。。一蛳．。基于疲劳破坏失效的扭簧可靠度为耻舭沪庐(煮警豪)㈣式中一O*。-aa，及；一。，和S。一及S‰，分别是扭簧疲劳强度极限及最大工作应力的均值和标准差。扭簧的最大工作应力d一，可以通过扭簧收拢扭矩计算获得。扭簧工作应力状态(用应力比r=竽表示)一般不是对称循环应力状态(r=一1)和脉动循环应力状态(r—o)，而航天用扭簧的循环作用次数不大于100

7、0次，因此，扭簧的疲劳强度极限需要在N=103的条件下通过极限应力线图计算获得。基于冲击破坏失效的扭簧可靠度为肛妣护乒(靛)㈤式中[氏]及孑d和S呱]及S％分别是扭簧冲击极限应力及扭簧冲击应力的均值和标准差。扭簧工作过程中发生的各种失效多是相互独立的，某种失效既不是其他失效的原因，其产生亦不是其他失效的效果。因此，基于多种失效模式的扭簧可靠度和对应单个失效模式的可靠度之间形成了“串联”逻辑关系，故扭簧可靠度可以表示为R，=Rs×RRXRF×RI(7)2011年10月中国空间科学技术2．3基于多失效模式的扭簧可靠性优化分析(1)