实况下机械零件的动态可靠性分析

考虑不同工况下载荷变化和强度退化对机械零件可靠性的影响,采用雨流计数法对工况载荷进行统计处理,运用Goodman直线修正法与线性积累损伤法则估计出零件的疲劳寿命.在此基础上,利用等时间段内最大载荷替代载荷变化,Gamma过程模拟强度随机退化的方法来建立渐变可靠性数学模型,最后由随机摄动理论和四阶矩法相结合推导出可靠性灵敏度的表达式.以采煤机扭矩轴为例,估算出扭矩轴在实际载荷下的疲劳寿命,给出各参数变量在疲劳寿命内动态可靠性灵敏度变化规律,分析了参数变量改变对扭矩轴可靠性的影响,并用Monte Carlo仿真进行了验证,结果表明所采用的动态可靠性分析过程符合实际工况,能够为实况下机械零件的动态可靠性分析提供一种方法.     

基于有限元法的数控车床主轴系统频率可靠性分析

基于有限元法参数化建立主轴系统三维有限元模型,将轴承简化为弹性支撑.考虑皮带轮和卡盘的影响,对整个主轴系统进行模态分析,得到主轴系统的前八阶固有频率及固有振型.进行临界转速分析,将工作转速与非零最低阶频率对应的转速进行比较,验证主轴设计的合理性.利用ISIGHT集成ANSYS进行正交试验设计并计算非零最低阶固有频率,将有公差范围要求的轴段的直径和长度以及基本物理参数作为随机变量,采用BP神经网络拟合主轴系统非零最低阶固有频率与随机变量之间的关系.利用一次二阶矩法计算主轴系统在特定转速下的可靠度并求解各随机参数的可靠性灵敏度.     

机电集成电磁蜗杆传动机械系统灵敏度分析

建立了电磁蜗杆传动机械系统动力学模型,采用一阶灵敏度函数法推导出系统灵敏度矩阵,在初选结构参数的基础上,研究机械系统主要结构参数对电磁啮合的影响规律,得出固有频率对这些参数的灵敏度变化曲线。研究结果表明,电磁蜗杆传动机械系统自由振动的模态分蜗杆模态和蜗轮模态;机械系统的固有频率较低;对于每个磁极都有三个不同的固有频率相对应。通过灵敏度分析,可以解决运行过程中机械结构振动的固有频率对传动随机参数的响应问题,选取参数时远离激励频率,避免共振现象的发生,为机电集成电磁蜗杆传动的加工制造提供依据。     

基于随机载荷和强度退化的可靠性灵敏度分析

针对随机载荷和强度退化所引起的动态可靠性问题,将载荷和强度同时考虑成随机过程,利用顺序统计理论得出最大等效载荷,利用Gamma过程来描述机械零件的强度退化过程,并对零件进行动态可靠性建模.在此基础上,运用随机摄动理论和四阶矩技术给出了动态可靠性灵敏度的求解公式,解决了参数服从任意分布的灵敏度求解问题.以零件螺栓为例建立了可靠性动态模型,给出了各参数变量的灵敏度随时间变化的动态曲线,并用Monte Carlo方法进行了验证,结果表明所建立的模型能准确反映出机械零件的可靠性随使用时间的变化规律.     

某型航空发动机涡轮盘的可靠性灵敏度设计

航空发动机涡轮盘结构比较复杂,无法直接获得极限状态方程的显示表达式.针对这一问题,提出了涡轮盘可靠性灵敏度设计的Monte Carlo-随机有限元法与神经网络技术相结合的方法.考虑了涡轮盘结构的几何尺寸、材料性能特性和环境载荷的随机性,利用神经网络的非线性映射功能,模拟得到随机响应与随机参数的关系表达式,采用一次二阶矩法进行可靠性设计;通过对涡轮盘的可靠性灵敏度设计,得到了各参数均值和方差对涡轮盘可靠性的影响情况.利用结构可靠性分析软件NESSUS验证了所提方法的正确性,为涡轮盘可靠性灵敏度设计提供了理论参考.     

采煤机摇臂系统行星轮系疲劳可靠性灵敏度设计

由于采煤机摇臂系统的行星轮系结构比较复杂,采用集中质量参数法对其进行有限元建模,分析行星轮与太阳轮的动态接触应力以确定其失效模式.主要考虑行星轮与太阳轮结构尺寸的随机性,利用BP神经网络的非线性映射功能,模拟得到疲劳寿命与随机参数的关系表达式.采用最大可能点摄动法进行可靠性设计.最后通过对行星轮与太阳轮的可靠性灵敏度设计,得到了各参数均值和方差对结构可靠性的影响情况.Monte-Carlo仿真试验验证了所提方法的正确性,为行星轮与太阳轮可靠性灵敏度设计提供了理论参考.     

基于非线性振动的上悬式离心机可靠性分析

为了研究非线性振动对上悬式离心机频率可靠性的影响,用有限元法建立包含电磁参数、机械结构参数和糖膏流体参数的上悬式离心机主轴系统非线性动力学方程。采用多尺度法求解系统非线性振动频率因子,结合人工神经网络技术,拟合出材料参数与固有频率之间的关系。以频率可靠性理论为基础,依据可靠性的关系准则,定义系统的失效模式,建立基于非线性振动的上悬式离心机主轴系统的可靠性模型,并进行了仿真分析,给出系统工作转速应该避开的不可靠运行区域。研究结果表明,当系统转速为152 r/min、197 r/min、417 r/min和811 r/min时,系统的可靠度明显降低,并趋向于0,其中当转速为152 r/min、197 r/min、417 r/min时,是由于线性共振失效引起的;而当转速为811 r/min时,是由于非线性组合共振失效引起的。即考虑非线性因素时,系统产生了非线性频率因子,当该非线性频率因子与系统的固有频率相近时,系统的可靠度将趋向于零。因此,系统的正常工作转速不仅要避开线性共振引起的不可靠区域,也要避开非线性共振引起的不可靠区域。     

基于热分析的齿轮模态及共振可靠性灵敏度研究

为了研究温度对齿轮结构模态的影响及程度,在齿轮热-结构耦合分析的基础上对齿轮进行了模态分析,将不同工作条件下模态分析结果进行比较,分析温度场对齿轮模态的影响;在考虑温度场这一因素下采用概率设计方法的MonteCarlo模拟法对齿轮进行共振可靠性灵敏度分析.结果表明:由温度变化所引起材料力学性能的变化对各阶固有频率影响的程度不同,由热应力引起的固有频率变化小于由材料力学性能变化引起的固有频率变化;各随机变量中齿轮的模数对共振可靠性的影响最大,分析结果更符合实际工况,为齿轮可靠性设计开辟了新思路.     

结构振动的模糊可靠性分析

利用随机有限元理论建立结构振动的概率有限元计算公式系统,得出结构固有频率的均值及其方差;根据模糊集合理论的基本原理,在结构振动的可靠性分析中引入共振失效的模糊定义,指出共振准则具有模糊性.在此基础上,提出共振区模糊子集的隶属函数的确定原则,给出了具体的确定方法.根据模糊事件发生概率的定义,导出了结构振动的模糊可靠性的计算公式,考虑到结构具有多阶固有频率,在进行结构振动可靠性分析时,结构应为串联系统,从而解决了结构动态问题的模糊可靠性问题.通过结构振动模糊可靠度的计算实例,验证了该法的有效性和可行性,并指出常规可靠性计算由于不考虑共振区域的模糊性而使计算结果偏大.     

基于ANSYS的六轴力传感器的模态分析

运用Solid Works对支架进行三维建模,通过ANSYS Workbench软件对六轴力传感器结构进行模态分析,求解出传感器的模态参数,并得到传感器的固有频率和振型特征,找出了六轴力传感器的薄弱环节.结果表明,整个传感器不会出现共振现象,具有很好的动态特性.模态分析结果为传感器的进一步优化设计提供依据,对传感器在工程应用方面有一定的价值.     

一种复杂机械结构的频率可靠性及灵敏度分析方法

针对具有随机参数的复杂机械结构振动的固有频率响应问题,定义了频率可靠性,并在此基础上提出了一种快速有效的可靠性及可靠性灵敏度的计算方法.采用随机响应面模型来拟合结构输入参数和固有频率之间的函数关系,并使用降维积分技术计算随机响应面模型的展开系数,同时使用模型降阶方法来进行结构的重分析计算以节约计算时间.采用改进的一次二阶矩方法进行可靠性分析,可靠性灵敏度的计算采用蒙特卡洛模拟方法.数值算例表明所提方法具有很高的计算效率和合适的精度,适用于复杂结构的频率可靠性分析.     

ANSYS/PDS风电齿轮箱收缩盘联接可靠性分析

笔者建立了某风电齿轮箱主轴收缩盘联接的轴对称参数化有限元模型,并结合主轴扭矩作用应用ANSYS非线性接触对该模型进行了强度分析。由于材料属性、制造过程、边界条件以及载荷等设计参数的不确定性会影响计算的精确性,应用ANSYS／PDS模块,根据失效模式确定整体功能函数并由此建立结构极限状态方程,采用蒙特卡罗超拉丁采样方法对收缩盘联接进行可靠性分析,得到整体联接的可靠度和失效率,并给出累积概率分布。研究结果表明：收缩盘传扭联接性能和结构件强度均满足设计要求,其联接的可靠度达到94．8％,达到了工程设计要求,对风电齿轮箱收缩盘联接的可靠性设计具有一定的指导意义。     

某转向架构架的可靠性及可靠性灵敏度

结合UIC615-4标准,对某转向架构架在各工况下进行了有限元强度分析,获得了最危险工况下构架危险点的应力响应.通过拉丁超立方抽样方法与试验设计方法获取构架危险点的应力与随机变量的仿真样本,并利用BP神经网络的非线性映射功能训练得到应力响应关于随机变量的显式表达式.结合随机摄动技术、一次二阶矩法及矩阵微分法,对构架的可靠性及可靠性灵敏度进行了分析,所得结果对转向架构架的工况和载荷优化具有一定的指导意义.     

区间模型下旋耕机刀轴的非概率可靠性分析

根据区间模型描述旋耕机刀轴的不确定参数,采用非概率可靠性理论对刀轴进行可靠性分析,以解决随机可靠性和模糊可靠性分析中对原始数据依赖性高的问题.结合非概率可靠性的原始定义,提出以结构失效域的上限与波动域的下限之间的最短距离对非概率可靠性进行度量.通过对刀轴2种设计方案的分析,证明该方法与非概率可靠性的原始定义分析结果的一致性.     

自制旋转机械故障模拟试验台的转子振动特性研究

本文采用软件仿真与实验分析相结合的方法,研究了自制旋转机械故障模拟试验台转子的振动特性。使用Solidworks软件对转子进行三维实体建模,并在Altair Hyper Mesh软件中划分网格,导入到ANSYS Workbench软件进行后处理分析。首先通过静力学分析获得双盘转子变形与应力分布情况;考虑陀螺效应的影响,通过模态分析获取固有频率及振型云图;生成Campbell图,分析转子在设定转速区间内振动分量的变化特征;通过谐响应分析获取特定频域内的动态响应。最后进行实验模态分析,并与仿真结果进行对比,从而验证有限元模型的准确性。研究表明：转轴轴肩位置处存在一定程度的应力集中;临界转速远大于工作转速,可有效避免共振;该结构动刚度良好符合设计要求。本文可为该类型转子的振动特性分析提供参考,并为旋转机械故障的模拟实验起到了一定的指导作用。     

全电直驱集成动力系统扭振固有特性灵敏度分析及动力学设计

为全面掌握纯电动汽车动力传动系统扭振固有特性,提高系统的平顺性,对系统扭振特性进行深入研究,以一种新型全电直驱集成动力传动系统为研究对象,提出了综合考虑电机电磁刚度、齿轮时变啮合刚度等因素耦合作用的建模方法,建立并验证了8自由度力学分支模型,计算和分析了系统的固有频率和振型;基于直接求导法对固有频率进行灵敏度分析,改进了集成系统特征参数,并联合仿真分析了参数优化前后系统的动态变化。结果表明:考虑电磁刚度可得到"零阶"固有频率,能呈现丰富的动力学现象;低阶振动表现在车轮、车身位置,高阶振动表现在变速器部分。基于灵敏度分析结果,系统对应的临界转速5 097 r/min,超出了常用转速范围;电机轴角加速度频域响应最大波动幅值减小了25.9%,整体波动幅值明显减小;变速器输出轴最大波动转速减小了0.26%。此研究成果可为机电耦合系统的固有特性与灵敏度分析提供理论参考。     

冲击刀具破碎机模态分析及其减振优化

冲击刀具破碎机在工作时会产生较大激振。为研究破碎机振动和固有频率之间的关系,避免共振现象的产生,以某冲击刀具破碎机为研究对象,运用有限元软件建模分析其计算模态,通过力锤敲击激励实验测试其实验模态,并将计算模态与实验模态进行对比。结果表明冲击刀具破碎机的前8阶固有频率集中在133.28Hz到272.18Hz之间,且主要变形部件集中在入料口、轴承座、储料箱后壁、主轴、反击板 5 个部件。对主轴进行动态分析以及外壳结构进行优化之后,破碎机的工作频率很好的避开了共振频率范围,为冲击刀具破碎机的减振改进设计提供了数值依据,也为破碎产品的减振优化提供了一种行之有效的方法。     

基于响应面和重要抽样法的隧道衬砌结构时变可靠度

由于隧道衬砌结构极限状态方程高度非线性,直接采用一般的可靠度计算方法得到的是几何可靠度,存在较大误差,需进行改进.结合响应面法和重要抽样两种方法,利用响应面法得到的验算点作为重要抽样法的抽样中心,进而求解结构的可靠度指标.在该理论的基础上,考虑结构抗力随时间衰减的因素,利用Matlab软件编制了隧道在服务寿命期限内的时变可靠度指标的计算程序,并通过回归分析,得到了时变可靠度指标随着时间呈指数递减的规律.通过耐久性系数与时变可靠度指标的对应关系,可得到衬砌结构任意时刻的耐久性系数,该系数则是衬砌结构耐久性设计的关键.该方法对功能函数高度非线性的工程较适用,并且为结构耐久性设计提供了基础.