[发明专利]一种基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化方法

说明书

本发明公开了一种基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化方法；其包括构建可靠性设计优化模型、引入鞍点近似方法构建基于鞍点近似的可靠性设计优化模型、将基于鞍点近似的可靠性设计优化工程应用于风电齿轮箱，构建风电齿轮箱基于鞍点近似的可靠性设计优化模型，并进行风电齿轮箱传动系统固有‑运行耦合可靠性分析，最后进行设计优化。本发明通过将不确定理论、可靠性理论以及鞍点近似理论相结合，解决了传统设计方法中一阶/二阶可靠性方法进行正态转换，增加风电齿轮箱的非线性程度的问题，从而满足风电齿轮箱产品质量高可靠性的要求。

技术领域

本发明属于机械产品的可靠性设计优化技术领域，尤其涉及一种基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化方法。

背景技术

可靠性是衡量机械产品质量特性的重要指标之一，己贯穿到机械零部件、复杂机械装备、大型基础设施全寿命周期内的各个阶段，包括设计、制造、试验、使用、维修保养等。准确评估大型复杂机械装备和工业系统的可靠性，不仅能对整个装备和系统的运行安全实施保障，还能为维修计划的制定提供信息指导，以降低全寿命周期费用。科技的迅猛发展和社会的飞速进步，使机械产品结构更趋复杂、使用场所更加广泛、工作环境更为严酷，因此，可靠性在机械产品质量特性中的地位也更加凸出。因此，研究机械系统的可靠性分析方法和可靠性优化设计方法意义重大。

基于可靠性的设计优化(Reliability-Based Design Optimization，RBDO)是一种功能强大的工具，其可以在优化过程中充分考虑不确定性对于约束的影响，得到满足可靠性要求的优化结果，从而在可靠性和经济性之间的取得很好的平衡。RBDO的动机是确保所设计系统的固有故障概率低于可接受的水平，从而降低发生事故的可能性。该目标是通过使用RBDO中的不确定性约束来实现的。

与一般机械设备相比，风电机组传动系统的载荷状态、运行工况、环境条件和结构布局等方面均更为复杂，机械结构的破坏过程，是多重损伤不断累积，材料性质不断退化，应力重新分布的动态过程。这导致传动链中齿轮、轴承等主要零部件的故障机理和故障发展模式等存在多失效模式耦合的特殊性，其故障率高于其它行业的同类设备。此外，不确定性会随着耦合设计信息的传播而累积，最终影响风电机组传动结构的可靠性和安全性。因此，对于风电机组传动结构，可靠性分析是十分重要的。

传统的RBDO常用一阶/二阶近似可靠性分析方法去进行可靠性分析。基本思想是在逼近相应的极限状态函数之后评估相应的逼近函数的可靠性。但是，上述两种方法都需要将具有任意分布的随机变量转换为具有标准正态分布的随机变量。当涉及的随机变量遵循特定的非正态分布时，此转换是一个非线性过程。它将增加原始问题的非线性程度。将会导致设计结果的不准确，无法满足现代复杂风电齿轮箱高可靠性的要求。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决传统RBDO使用一阶/二阶近似可靠性分析方法去进行可靠性分析而导致非线性程度增加、精度降低、设计结果不准确等问题，本发明提出了一种一种基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化方法。

本发明的技术方案是：一种基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化方法，包括以下步骤：

S1、构建传统不确定因素相关的可靠性设计优化模型；

S2、将鞍点近似可靠性指标及其灵敏度的近似计算方法，引入到传统可靠性设计优化模型中，得到基于鞍点近似的可靠性设计优化模型；

S3、将步骤S2中构建的基于鞍点近似的可靠性设计优化模型工程应用于风电齿轮箱，构建基于鞍点近似的风电齿轮箱可靠性设计优化模型，并进行风电齿轮箱传动系统固有-运行耦合可靠性分析，最后进行设计优化；

进一步地，所述步骤S1构建传统不确定因素相关的可靠性设计优化模型，具体为：考虑各种不确定性因素，并将各种不确定因素视为随机变量，建立伴随随机变量的可靠性优化设计模型，表示为：