[发明专利]一种机械零部件结构的可靠性分析方法

权利要求书

1.一种机械零部件结构的可靠性分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

对机械零部件进行受力分析，获取零部件载荷形式和大小，以及零部件的几何尺寸，确定基本随机变量，构建初始极限状态方程,如下式所示：

g(X)＝R-σ (1)

其中，g(X)为极限状态方程；X为随机变量的参数向量，X＝[X₁ X₂…X_n]，n为随机变量的个数；R为材料强度；σ为零部件应力；

构建机械零部件的三维参数化模型，在Workbench中将机械零部件基本随机变量标注为参数，通过AsysWorkbench有限元软件对机械零部件进行静力学分析，获取特定部位的最大应力；

基于AnsysWorkbench有限元软件的分析结果，通过Workbench的Six Sigma Analysis优化模块，采用拉丁超立方抽样方法，对基本变量随机抽取足够的样本进行DOE实验，获取对应的最大应力值的实验数据；在进行所述DOE实验时，基于Workbench的Six SigmaAnalysis优化模块，以影响机械零件应力的几何尺寸为输入变量、最大应力为输出变量进行实验，来获取实验数据；根据实验数据，利用BP神经网络拟合出最大应力的连续函数，如下式所示：

其中，Y_q(X)为BP神经网络的第q个输出函数，q＝1,2,…,Nq；w_gj和b_1j分别为输入层神经元到隐含层神经元的网络连接权值和阈值；v_j和b_2q分别为隐含层神经元到输出层神经元的网络连接权值和阈值；N_j为隐含层神经元个数；为隐含层传递函数；N_g为输入层神经元个数；x_g为第g个神经元的输入值；

利用BP神经网络拟合出最大应力与各随机变量的函数；

考虑强度退化情况下，构建机械零部件的极限状态方程，具体过程如下：

根据Schaff的剩余强度理论，强度随时间逐渐发生退化时，通过将零部件的初始强度r₀和工作时长t联合表示出零部件在该时刻的剩余强度r(t)，剩余强度模型如下式所示；

其中，X_max(m)为零件失效时载荷峰值；m为载荷的循环次数；M为载荷作用零部件的总循环次数；c为材料指数；

将载荷作用零部件的总循环次数M看作零部件的工作总时间T，把载荷作用m次比作载荷工作了t时间，随时间变化的剩余强度函数与载荷的循环数m为寿命度量指标的传统强度退化理论相融合，改进为以时间为度量指标的剩余强度模型，如下式所示；

将考虑强度退化的零件的应力-强度可靠性模型通过随机过程模拟，获取机械零部件极限状态方程的表达式为

其中，a_n为载荷服从极值I型分布时一个参数，σ_max为BP神经网络拟合得到的最大应力函数；t_i表示第i个时间段；

根据极限状态方程对机械零部件进行可靠性分析和计算，得到机械零部件的可靠性分析结果；具体过程如下：

根据获得的机械零部件极限状态方程，对零部件进行可靠度计算，零部件的时变可靠性指标与时变可靠度计算式分别如下两式所示：

R(t)＝Φ(β(t)) (9)

其中，β(t)、R(t)分别表示时变可靠性指标与时变可靠度；μ_g、σ_g分别表示极限状态方程的均值和标准差；

根据获得的机械零部件极限状态方程，对零部件进行可靠性灵敏度分析计算，根据应力—强度干涉理论，可靠度对初始参数均值μ_x和标准差σ_x的灵敏度分别如下两式所示：

其中，

把已知条件和可靠性计算结果代入式(10)和式(11)，获得可靠性均值灵敏度和标准差灵敏度完成可靠性分析。