失效相关下齿轮传动系统的可靠性稳健优化设计

本文研究了不完全概率信息下齿轮传动系统多失效模式相关时的系统可靠性评估与优化设计问题。首先,建立了齿轮传动系统不同失效模式的可靠性模型;其次,采用基于三阶矩的鞍点逼近方法,实现了各失效模式的边缘失效概率估计,并建立了基于鞍点逼近的可靠性灵敏度模型;然后,考虑相关性对系统失效概率估计的影响,提出了基于Copula函数的系统可靠性评估方法;最后,讨论了齿轮传动系统的可靠性优化设计问题。经过数值算例验证可知,采用不同copula函数计算得到的失效概率有很大差异,其中Gaussian和Clayton Copula得到的结果与蒙特卡罗模拟结果基本一致。采用Clayton Copula进行了可靠性优化设计,所得结果可为齿轮传动系统的优化设计提供参考。     

基于Copula失效相关结构系统的失效概率计算

针对具有相关失效模式的结构系统可靠性分析问题,提出利用Copula计算结构系统的失效概率。Copula函数可以采用多种边缘分布函数来推求联合分布函数,构造随机变量间的相关结构。该方法分别以各失效模式的功能函数值为Copula分析变量,利用MATLAB软件和Monte Carlo模拟法产生的随机抽样数据估计Copula参数,实现各功能函数间的联合概率分布函数的Copula建模,从而可以利用Copula计算结构系统的失效概率。最后用工程算例验证该理论方法的可行性,为具有相关失效模式的结构系统可靠性分析提供新途径。     

部件相关的某自行火炮变速箱齿轮系统可靠性分析

针对装备系统可靠性求解精度不足的问题,将Copula函数应用于装备系统可靠性分析中,建立了具有相关性的齿轮系统可靠性模型,得到了行程和系统可靠度之间的关系,验证了建立的Gumbel Copula系统可靠性模型解决部件存在相关性时的系统可靠性问题的优越性,为系统可靠性分析及可靠性灵敏度分析提供了方法。     

考虑零件寿命相关的风电齿轮箱可靠性分析

在1.5 MW风电齿轮箱系统可靠性的研究中,考虑零件相关失效这种重要的失效相关形式对风电齿轮箱可靠性的影响。从零件出发,引入零件的动态可靠度模型计算出齿轮箱中各主要失效零件的可靠度,并根据零件可靠度和寿命分布函数之间的关系,给出零件寿命分布函数随时间的变化曲线,从而利用抽样法和最小二乘法估计出各零件的寿命分布函数形式。根据各零件的寿命分布函数,绘制出相关零件之间的二元频率直方图,再结合Copula函数的相关理论和Sklar定理选取适当的Copula函数形式,最终建立零件寿命相关条件下的风电齿轮箱系统Copula可靠性模型。因无须确定齿轮箱中零件寿命的联合分布函数,不但避免了各零件之间寿命线性相关假设的局限性,同时利用简单的Copula函数运算替代了繁杂的多重积分运算。通过Matlab R2012b软件估计出各零件寿命之间的相关程度参数,并计算出零件寿命相关条件下的风电齿轮箱动态可靠度,从而给出风电齿轮箱系统可靠度随时间和零件寿命相关程度参数的变化规律,为风电齿轮箱的设计、制造和维护提供了理论依据。     

基于鞍点逼近的机械零件可靠性Copula分析方法

应用鞍点逼近方法可以获得各失效模式功能函数的概率密度函数和分布函数。针对具有相关失效模式的机械零部件,使用鞍点逼近方法求得各功能函数的概率分布函数,利用各功能函数的概率分布函数值优化估计Copula待定参数,实现各功能函数间的联合概率分布函数的Copula建模,从而可以利用鞍点逼近方法和Copula函数实现机械零部件的可靠性分析。在实例计算中,与Monte Carlo法计算结果对比验证该理论方法的可行性,为具有相关失效模式的机械零部件可靠性分析提供新途径。     

Vine Copula模型的失效动态相关机械系统可靠性分析

提出机械系统的失效动态相关可靠性可采用动态Vine Copula模型进行描述。采用Vine Copula函数将复杂多失效相关的机械系统可靠性问题转换为对多个二维动态Copula函数进行分析。利用非参数估计算法,提出经验分布函数-局部极大似然两步法估计动态Copula函数中的时变参数,从而建立动态Vine Copula模型来描述多失效动态相关机械系统的可靠性;并重点对机械系统的串联体系可靠性进行建模与分析,进而对机械系统的可靠度进行求解。最后通过单级减速器系统的算例验证了所述方法的合理性及有效性。     

双动力刀架系统可靠性建模方法研究

研究对21台双动力刀架进行了四年的连续跟踪记录,收集了79条故障数据,应用Copula函数进行相关故障下的可靠性建模。首先,对双动力刀架进行子系统划分,通过对故障及维修记录整理和分析,得出故障相关子系统。然后,依据传统建模方法得到每个子系统的两参数威布尔分布,并依次通过假设检验和拟合优度检验。最后,选取Gumbel Copula函数作为连接函数,建立了双动力刀架整体的可靠度数学模型。将新模型与传统的串联模型对比,验证了基于Copula函数的可靠性建模更加合理。     

基于部件相关的某履带车辆变速箱齿轮系统可靠性分析

针对传统的机械系统可靠性分析不考虑部件之间相关性而导致预测不准的问题,将Copula函数应用于机械系统可靠性分析中,建立了某履带车辆变速箱故障树并确定关重件,构建了具有相关性的齿轮系统可靠性模型,得到了行程和系统可靠度之间的关系,验证了建立的Gumbel Copula系统可靠性模型在分析机械系统可靠性的优越性,为机械系统可靠性分析及可靠性灵敏度分析提供了新思路。     

概率信息不全时基于Copula理论的可靠性及基本变量重要性测度分析

针对工程中概率信息不全的可靠性问题,利用Copula理论逼近基本变量的联合分布函数和联合概率密度函数,建立Copula逼近基础上可靠性分析的自适应截断抽样法,并建立Copula逼近基础上基本变量对失效概率影响的重要测度分析的自适应截断抽样法.在所建模型中,基于Spearman相关系数的Copula函数被用来描述模型的相关性部分,其本身不受各个变量边缘分布的限制,比传统的Pearson相关系数具有更强的实用性.而建立在Copula逼近基础上的自适应截断抽样,可以利用自适应寻找设计点过程中的信息来计算失效概率,提高可靠性分析和基本变量重要性分析方法的效率和稳健性.在详细给出建模原理和求解流程方法后,算例用于说明模型的合理性和算法的可行性.     

一种考虑参数相关性的可靠性优化设计方法

在求解具有非线性相关性结构的可靠性设计优化问题时,现有的相关性处理方法在某些情况下可能会得到精度较低的优化结果。基于Copula函数提出了一种可靠性优化设计方法,用于求解存在非线性相关性结构的可靠性优化设计问题。该方法根据已知的样本对各备选Copula函数进行参数估计,并根据AIC准则选出最优Copula函数。根据最优Copula函数,构建联合概率分布函数,最后求解结构可靠性优化设计问题。通过两个数值算例验证了该方法的有效性,并讨论了不同Copula函数对优化结果的影响。     

考虑不同失效相关性的系统可靠性分配方法

为考虑系统组成单元间不同失效相关性对系统可靠性分配结果的影响,将影响系统可靠性分配的因素分为直接和间接两类,提出将复杂度和失效危害度作为直接影响因素,用于确定组成单元可靠性分配权重的相对大小。将工作环境、技术水平、改进成本等归为间接影响因素,引入相对分散性描述系统组成单元失效相关性,提出基于相对分散性的复杂度和危害度计算方法。基于Vine Copula函数建立考虑组成单元间不同失效相关性的串联系统可靠性分配模型,最后以某型数控机床主轴系统为例,进行不考虑相关性和考虑相关性两种情况下的系统可靠性分配结果对比分析,结果表明不考虑失效相关性得到的分配结果过于保守,增加产品研制费用。使用Vine Copula函数建立的系统可靠性分配模型能够考虑组成单元间不同的失效相关性,分配结果与传统多元Copula函数的分配结果相比更为合理。     

随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统动态可靠性分析

运用最小二乘支持向量机(Sparse least squares support vector machines,SLS-SVM)机器学习方法建立风场随机风速模型,根据随机风速模型和空气动力学理论得到随机风引起的系统外部载荷激励,建立考虑齿轮时变啮合刚度和滚动轴承时变刚度的风力发电机行星齿轮传动系统齿轮—轴承耦合动力学模型,并对动力学模型进行仿真计算,分别得到各齿轮副的动态啮合力和滚动轴承动态接触力。以此为基础,将载荷作用过程视为随机过程,推导出随机载荷作用下的等效载荷累计分布函数。根据应力—强度干涉理论建立风力发电机齿轮传动系统各齿轮和轴承的动态可靠性模型,利用二阶矩和摄动方法求出各齿轮、轴承的动态可靠性指标,并计算出动态可靠度,研究各齿轮、轴承和传动系统的动态可靠度随时间的变化规律,为风力发电机齿轮传动系统动态可靠性设计奠定了基础。     

齿轮弯曲疲劳寿命及可靠性分析研究

齿轮是传动系统中的关键部件,对其疲劳寿命及可靠性研究非常重要.采用了名义载荷法完成齿轮疲劳寿命的估算并对其可靠性进行研究.将齿轮材料属性定义为结构钢,给定齿轮工作载荷谱,并基于疲劳损伤理论Miner,完成时齿轮疲劳寿命的研究.     

基于层级有限元法的大型航空行星机构可靠性优化设计

大型航空行星机构作为多种重型航空器传动系统的基础与核心,它的可靠性水平在很大程度上制约着航空器的经济可承受性与服役安全性。将某型号重型直升机行星机构作为研究对象,以保证和提高该系统的疲劳可靠性水平为目标,利用层级有限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮齿疲劳载荷历程,并基于齿轮低周疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出轮齿概率疲劳强度,为系统可靠性预测模型提供经济有效的载荷与强度输入变量。据此,建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统可靠性指标的映射路径,提出可靠性驱动的行星机构结构尺寸多目标优化设计新方法。最后,分析了内齿圈轮缘厚度与行星架基板厚度对行星轮系疲劳可靠性的影响规律,并得到了指定型号的大型航空行星机构的轮缘与基板尺寸最佳刚度匹配结果,最大限度地发挥了核心结构要素的刚度潜力,以此平衡大型航空行星装备在可靠性与轻量化要求之间的矛盾。     

基于LINGO的斜齿轮最优化设计

以斜齿轮体积和传动平稳可靠性为目标函数,建立了斜齿圆柱齿轮传动的多目标优化设计数学模型。将LINGO9.0优化算法应用于机械工程的优化设计中,提出了LINGO算法的优化原理及数学模型的建立,给出求解的方法。对减小体积和提高传动平稳可靠性两个目标进行了联合优化,在满足强度、传动平稳性等方面寻求最优化齿轮配置。     

基于特征信息和推理机制的齿轮类零件CAPP系统设计

结合齿轮零件的工艺特点,分析了实用型CAPP系统的功能要求,构建出了系统的总体结构框架,结合系统开发功能以及齿轮类零件的工艺特点,决定采用基于齿轮特征描述法与齿轮分类编码描述法的这两种方法来描述齿轮信息,建立齿轮信息模型,并且采用基于知识推理和齿轮工艺模板的决策机制自动进行工艺设计,自动生成新齿轮的工艺路线,从而使得系统的实用性进一步增强,同时还具有一定智能性以及柔性;系统的人机交互功能,进一步增强了系统的实用性、可靠性以及柔性.     

基于动力学的风电增速箱多级齿轮传动系统可靠性评估

针对风力发电机齿轮传动系统在变风速工况下失效率高的问题,在模拟真实风速的基础上,建立了考虑外部随机风载及内部轮齿时变啮合刚度、轴承时变刚度、综合传递误差等激励因素的风力发电机齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过对动力学模型进行仿真计算,得到了各齿轮副的动态啮合力和各支承轴承的动态接触力,并求得齿轮的使用系数、齿轮和轴承的载荷系数。在此基础上,建立了基于动力学的风电齿轮传动系统可靠性评估模型,并求得了各零件及传动系统的可靠度,较全面地评价了随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统的可靠性,为风力发电机齿轮传动系统可靠性设计和动态优化奠定了基础。     

基于行星减速器的多目标可靠性优化设计方法研究

将优化技术与可靠性设计理论相结合,以齿轮疲劳强度可靠度和行星轮系配齿条件等为约束,以行星齿轮减速器传动效率高、重量轻、体积小为优化目标,根据工程实践和统一目标函数法建立其优化数学模型,应用混合惩罚函数法、Powell法等多种优化算法对其进行优化设计[1].通过实例说明,应用这种理论方法可在保证减速器使用寿命的前提下,得到满意的优化结果.     

考虑强度退化和失效相关性的风电齿轮传动系统动态可靠性分析

针对随机风作用下风力发电机齿轮传动系统失效率高的问题,研究了随机风引起的风力发电机传动系统外部风载荷以及内部由齿轮、轴承刚度及综合啮合误差等引起的内部动载荷激励,基于集中质量法建立了风电齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型。在对模型进行仿真求解的基础上,分别求得了传动系统中各齿轮和轴承的动态接触应力-时间历程。将载荷作用过程视为随机过程,推导出随机载荷作用下的等效载荷累计分布函数,从系统层面上建立了基于应力-强度干涉理论的风力发电机齿轮传动系统动态时变可靠性模型,模型考虑了零件的失效相关性和强度退化因素,研究了失效相关性和强度退化对风电齿轮传动系统可靠度和失效率的影响规律,为风力发电机齿轮传动系统动态设计和可靠性优化设计奠定了基础。