[发明专利]一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮的可靠性优化方法

权利要求书

1.一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮可靠性优化方法，包括如下步骤：

步骤1：根据航天器用谐波齿轮的结构特征建立航天器用谐波齿轮的物理模型；

步骤2：根据步骤1中得到的航天器用谐波齿轮的物理模型，用基于故障物理的可靠性仿真技术确定航天器用谐波齿轮的底层故障信息；

步骤3：用FMEA/FMECA方法对步骤2得到的航天器用谐波齿轮的底层故障信息和通过故障统计得到的已有的故障信息进行分析得到航天器用谐波齿轮的关键部件及其主要失效模式；

步骤4：确定主要失效模式的响应面函数；

步骤5：通过一次二阶矩(FOSM)方法对步骤4中得到的二次响应面函数进行不确定性分析，将航天器用谐波齿轮设计优化中的强度约束及疲劳约束转换为可靠性约束；

步骤6：建立航天器用谐波齿轮体积的函数表达式，将其作为优化目标函数，结合步骤5得到的关于强度及疲劳的可靠性约束，对航天器用谐波齿轮进行可靠性优化设计；

2.根据权利要求1所述的一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮可靠性优化方法，其特征在于，所述步骤4中的航天器用谐波齿轮的关键部件为柔轮，其确定响应面函数的具体过程为：

步骤41：通过灵敏度分析法，选取对强度约束与疲劳约束影响最大的柔轮模数m、柔轮筒长l、齿圈壁厚δ、光滑圆筒壁厚δ₁、齿宽b作为设计变量。其设计变量为X＝[X₁，X₂，X₃，X₄，X₅]^T＝[m，δ，b，l，δ₁]^T，

公式中X₁＝m，X₂＝δ，X₃＝b，X₄＝l，X₅＝δ₁；

步骤42：利用步骤41的所确定的设计变量，安排航天器用谐波齿轮正交试样；

步骤43：根据步骤42所确定的试验安排，通过三维建模软件建立航天器用谐波齿轮仿真模型，利用运动学仿真软件对航天器用谐波齿轮仿真模型进行动力学仿真分析，输出航天器用谐波齿轮设计优化中的强度约束与疲劳约束关于不同水平设计变量的响应值；

步骤44：当所有水平的响应值计算完毕，对响应值计算结果进行拟合，得到强度约束及疲劳约束关于设计变量的二次响应面函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮可靠性优化方法，其特征在于，所述步骤5中将航天器用谐波齿轮设计优化中的强度约束及疲劳约束转换为可靠性约束的具体模型为：广义应力-强度干涉模型，其可靠度可表示为：

R=Φ(β)=Φ(μσF-μσFpsσF2+sσFp2);]]>

式中，R为边界约束满足的可靠度，β为可靠性指标，为广义应力均值，为广义强度均值，为广义应力标准差，为广义强度标准差。

4.根据权利要求1所述的一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮可靠性优化方法，其特征在于，所述步骤6中其优化模型如下：

min V

s.t.R(μx)≥[R]；

x‾i≤μxi≤x‾i(i=1~5)]]>

式中，V为航天器用谐波齿轮体积；μ_x为考虑不确定性的设计变量均值；R(μ_x)为可靠性约束；[R]为许用可靠度；x_i与分别为设计变量的上下界；所述公式表明在满足强度及疲劳的可靠性约束条件及设计变量的上下界的条件下，得到的最小体积值V，该值即为可靠性优化设计后的最优值。