[发明专利]一种基于代理模型的转静子系统碰摩可靠性分析方法

说明书

本发明公开了一种基于代理模型的转静子系统碰摩可靠性分析方法，包括步骤1：建立转静子碰摩的有限元仿真模型；步骤2：找出设计阶段、加工及装配、工作运转环节中存在的不确定参数，通过灵敏度分析确定影响转静子碰摩的主要不确定性来源及各参数的概率分布类型，输入参数；步骤3：利用自适应实验设计算法，在基于极限状态曲面附近添加精心选择的样本，构建代理模型来替代有限元仿真模型；步骤4：利用训练后的代理模型，在给定的初始转速下预测MCS样本点的功能响应，根据功能响应结果计算失效概率；步骤5：在所考虑的转速范围内，迭代增加转速，重复步骤4，依次计算每个转速下的失效概率，最终得到失效概率曲线。

技术领域

本发明涉及可靠性技术领域，特别涉及一种基于代理模型的转静子系统碰摩可靠性分析方法。

背景技术

旋转机械如航空发动机、船用燃气轮机和压缩机等由于高性能要求，使得转子和定子之间的设计间隙越来越小，这很可能导致设备运行过程中发生碰摩故障。碰摩作为次生故障不可避免，旋转机械的设计很难平衡无碰摩和间隙减小这两方面的矛盾。转静子之间的碰摩会产生高冲击力和摩擦力，影响系统安全运行，很可能导致叶片断裂或者机匣包容性问题，引起严重振动甚至灾难性事故。

转静件碰摩引起的振动响应为复杂的非线性振动，会表现出极其丰富的动力学行为，如偏摩、全周碰摩和反向涡动，系统出现准周期甚至混沌与分岔现象，因此转静子碰摩故障的预防一直备受重视。实际上，影响转静子碰摩的参数具有明显的随机性，设计、加工、装配及旋转机械运转过程中的参数具有不确定性，某一转速甚至某一时刻转静子各参数都是动态变化的。

因此，碰摩的发生具有随机性，为一概率事件，需要进行可靠性评估。现有的传统蒙特卡罗及抽样方法是一种用于简单结构响应概率分析的有效技术，当应用于复杂非线性机械系统动态、多目标和多学科的可靠性问题时，其计算效率将不可接受。转静子碰摩可靠性分析即属于这一类复杂问题，蒙特卡罗及抽样方法在转静子碰摩概率分析的计算量将会非常大甚至无法计算。

为了提高计算效率，在可靠性分析领域，先进的代理模型被开发用来解决复杂结构的可靠性问题，其中代理模型结合蒙特卡罗仿真的方法是一种有效的可靠性分析技术，在土木工程、电力系统等领域被广泛采用。目前有关转静子碰摩失效概率的分析尚无快速有效的评估方法，如何针对转静子碰摩进行不确定分析及量化，以度量碰摩发生的概率这一问题亟待需要得到解决，进而有利于稳健的产品设计及旋转机械的可靠性提升。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于代理模型的转静子系统碰摩可靠性分析方法，可实现不同转频不确定概率参数区间内转静子碰摩概率的快速有效计算。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于代理模型的转静子系统碰摩可靠性分析方法，包括以下步骤：

步骤1：建立转静子碰摩的有限元仿真模型；

步骤2：找出设计阶段、加工及装配、工作运转环节中存在的不确定参数，通过灵敏度分析确定影响转静子碰摩的主要不确定性来源及各参数的概率分布类型，输入参数；

步骤3：利用自适应实验设计算法，在基于极限状态曲面附近添加精心选择的样本，构建代理模型来替代有限元仿真模型；

步骤4：利用训练后的代理模型，在给定的初始转速下预测MCS样本点的功能响应，根据功能响应结果计算失效概率；

步骤5：在所考虑的转速范围内，迭代增加转速，重复步骤4，依次计算每个转速下的失效概率，最终得到失效概率曲线。

进一步的，步骤1中所述的转静子碰摩模型通过有限元方法建立的动力学运动微分方程如下：