多种失效模式履带车辆扭力轴可靠性稳健设计

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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016V01．42No．4http：／／bhxb．buaa．edu．anjbuaa@buaa．edu．anDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0253多种失效模式履带车辆扭力轴可靠性稳健设计刘枯，陶凤和+，贾长治(军械工程学院火炮工程系，石家庄050003)摘要：履带车辆扭力轴通常存在多种失效模式，因此对其进行灵敏度设计分析时需要充分考虑不同失效模式的影响。提出一种多失

2、效模式机械零件可靠性灵敏度分析的数值方法，运用随机摄动理论和四阶矩技术，求得各个失效模式状态函数的前四阶矩和可靠性指标，有效解决了结构随机变量参数分布未知时，不同失效模式下构件可靠度的计算问题。根据机械零件发生一种失效模式即整体失效的具体特点，研究含相关性的不同失效模式机械零件的可靠度计算方法。结合灵敏度分析的梯度算法，推导出关于随机变量均值和方差的灵敏度计算公式，进而根据灵敏度的分析结果，提出多种失效模式下多目标优化的可靠性稳健设计模型。数值算例表明，本文方法可以高效迅速地估计多失效模式下机械构件的可靠性灵敏度。最后还对其进行了可靠性稳健优化设计研究。关键词：机

3、械系统；多失效模式；四阶矩；灵敏度分析；稳健设计中图分类号：TP202．3文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)04．0815-06机械零部件工作过程中通常存在多种失效模式，对其进行可靠性分析时，应全面考虑各种失效模式的影响¨1。国内很多研究人员对机械结构的可靠性问题进行了研究，创立了一次二阶矩和摄动理论。喻天翔等拉。考虑主次失效模式对机械零部件的影响，建立多失效模式的定量计算数学模型；崔海涛等¨。对比随机有限元法的计算效率和精度，为工程设计提供依据；Jensen等H1提出机械系统可靠性优化设计的线性搜索法；吕震宙和冯元生∞。提出了刚度可靠性的分析

4、方法。现代机械系统构件的工作环境恶劣，本身结构又比较复杂，原始的可靠性分析方法不能较好地解决构件的工程实际问题。机械零部件的结构尺寸、材料属性和外载荷都存在随机特性，导致实际分析研究时无法准确完整地获得所有的概率统计信息¨⋯，而且各随机因素对结构可靠性的影响程度不同，进行优化设计时仅凭经验太具盲目性。这就需要知道各个因素分别对整个机械系统可靠度的影响规律，即这些因素对可靠度的敏感程度，如果某因素对可靠性影响较大，则在设计制造过程中就需要对其严格控制以降低其对整个结构可靠性影响的灵敏度，即使其稳健以提高机械产品的可靠性。9’1“。可靠性灵敏度分析是得到机械构件各个结

5、构参数对其可靠性的不同影响规律，进而对机械系统可靠性的稳健优化设计进行指导，具有十分重要的意义，很多专家学者提出了十分有效的可靠性灵敏度设计分析方法，得到了大量的研究成果‘”1“。本文提出了针对多种失效模式下的机械零部件可靠性和可靠性灵敏度分析方法，并依据灵敏度分析的结果进一步提出机械零部件多目标优化收稿日期：2015-04-24；录用日期：2015-07．17；网络出版时间：2015-09—1716：50网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150917．1650．010．html基金项目：国家自然科学基金(51

6、175508)；河北省自然科学基金(E2012506009)$通讯作者：Tel．：0311-87994101E—mail：fhta063@126．COB引用格式：刘菇，陶凤和，贾长治．多种失效模式履带车辆扭力轴可靠性稳健设计fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42f4)：815．820．LIUz，TAOFH．

7、lACz．Reliabilityrobustdesignoftrackedvehicletorqueaxiswithmultiplefailuremodes【

8、]，JournalofBe日ingUniversityofAeronauticsandAstr

9、onautics，2016，42(4)：815-820(inChinese)．816北京航空航天大学学报2016年的可靠性稳健设计模型，结合履带车辆行走系统的扭力轴进行了计算验证。通过四阶矩技术，获得各种失效模式下机械系统构件的可靠度，针对机械构件发生一种失效模式即整个失效的特点，将含相关性的不同失效模式当作串联失效模型进行计算，获得了零部件对各个结构参数的均值和方差的灵敏度矩阵，并且提出质量最轻和可靠度对结构参数变化的灵敏度最小这2个优化目标，对扭力轴的结构参数进行稳健性优化设计。计算结果表明了本文方法的适用性，且可以推广到其他机械系统的可靠性稳健优化设计中。1

10、可靠性分析