一種基于故障機理的液壓伺服機構(gòu)多學科可靠性建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種基于故障機理的液壓伺服機構(gòu)多學科可靠性建模方法，它是多學 科系統(tǒng)工程設(shè)計建模仿真軟件（即AMESim)與動力學仿真軟件（即ADAMS)聯(lián)合仿真情況 下的液壓伺服機構(gòu)多學科長周期可靠性建模方法，實現(xiàn)了在液壓系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)中同時注 入故障機理、模式，它屬于可靠性仿真分析領(lǐng)域一種更加符合工程實際的仿真方法，注重于 刻畫常見故障模式與故障機理所導致的液壓伺服機構(gòu)性能模型的參數(shù)退化軌跡，分析得出 液壓系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)同時退化對整體性能的影響。
【背景技術(shù)】
[0002] 系統(tǒng)可靠性與性能一體化設(shè)計的核心思想就是在設(shè)計之初，將故障機理、故障模 式以及相應(yīng)的外部環(huán)境的擾動通過可靠性建模仿真的方式注入到系統(tǒng)中，建立系統(tǒng)性能輸 出響應(yīng)與關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)之間的數(shù)學關(guān)系，從而得到相應(yīng)的可靠性指標。通過上述可靠性建 模仿真分析，可以得出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計人員對系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化提供了一種有 效的技術(shù)支持。目前，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)越來越復雜，多為機、電、液系統(tǒng)，因此，設(shè) 計者急需提出一種基于故障機理多學科可靠性建模方法。
[0003] 在可靠性仿真建模方面，已有很多學者對其進行了研究，2013年徐萌在其碩士論 文中提出了一種射流管伺服閥長周期可靠性仿真建模方法；YaoWang提出了一種基于雷達 機構(gòu)磨損退化的可靠性優(yōu)化算法。迄今為止，絕大多數(shù)的可靠性建模都是單學科建模，往往 只針對機構(gòu)部分或者針對液壓部分建模，然而，不同學科之間的參數(shù)退化是相互影響的，因 此，單學科退化不能真實地反映出系統(tǒng)的退化軌跡，在進行可靠性優(yōu)化分析時，其準確性與 有效性有待于考察。
[0004] 傳統(tǒng)的可靠性方法通過搜集大量的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品無維修工作期以及失效時間數(shù) 據(jù)，進行可靠性數(shù)據(jù)分析做出推斷。然而現(xiàn)如今，隨著產(chǎn)品壽的增長，可靠性相關(guān)數(shù)據(jù)不多， 可靠性加速試驗的時間成本太高，因此，只能通過長周期可靠性仿真獲取產(chǎn)品的可靠性信 息。
[0005] 對此，本發(fā)明提出了一種液壓伺服機構(gòu)（基于AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真）的多學 科長周期可靠性建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] (1)目的：本發(fā)明提供一種基于故障機理的液壓伺服機構(gòu)多學科可靠性建模方 法，它是一種基于AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真的建模方法，解決復雜機、電、液系統(tǒng)在缺乏可 靠性相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下，如何將多學科失效機理同時注入到典型機、電、液系統(tǒng)即液壓伺服 機構(gòu)中的問題，真實、準確地刻畫出關(guān)鍵參數(shù)退化曲線以及整體性能退化曲線。在設(shè)計階 段，為機、電、液產(chǎn)品的可靠性分析和設(shè)計優(yōu)化提供基礎(chǔ)模型。
[0007] (2)技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明是一種基于故障機理的液壓伺服機構(gòu)多學科可靠性建模方法，在聯(lián)合仿真 情況下同時進行故障注入，該方法首先要分別在AMESim和ADAMS中建立相應(yīng)的液壓模型與 機構(gòu)的動力學模型；然后搭建聯(lián)合仿真平臺，實現(xiàn)AMESim和ADAMS的聯(lián)合仿真；其次進行 故障注入，仿真得出關(guān)鍵參數(shù)退化曲線以及系統(tǒng)性能參數(shù)退化曲線；之后進行單點故障分 析，找出薄弱環(huán)節(jié)，分析關(guān)鍵參數(shù)退化對性能指標的影響；最后得出可靠性指標（無維修工 作期MFOP)。該方法真實而且準確的刻畫了液壓伺服系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的退化規(guī)律，并有效解決 了復雜機、電、液系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)難以獲得無法進行可靠性優(yōu)化設(shè)計的難題。
[0009] 本發(fā)明一種基于故障機理的液壓伺服機構(gòu)多學科可靠性建模方法，該方法依次按 照下述五個階段進行；
[0010] 1、系統(tǒng)建模：在AMESim中建立液壓系統(tǒng)模型，在ADAMS中建立動力學模型；
[0011] 2、聯(lián)合仿真：配置聯(lián)合仿真環(huán)境，建立液壓系統(tǒng)與動力學機構(gòu)聯(lián)合仿真模型，完成 液壓私服機構(gòu)模型構(gòu)建；
[0012] 3、單學科故障機理、模式注入：在液壓系統(tǒng)中注入液壓缸內(nèi)漏以及液壓栗功率下 降等故障模式，在動力學機構(gòu)中注入粘著磨損等故障機理；
[0013] 4、多學科故障機理、模式注入：因多學科退化相互影響，必須在聯(lián)合仿真的情況 下，同時完成液壓系統(tǒng)與動力學機構(gòu)的故障機理、模式的注入，這也是本發(fā)明的難點和創(chuàng)新 占.
[0014] 5、仿真分析：分析單個退化因素及單點故障對性能指標的影響，找出薄弱環(huán)節(jié)中 的關(guān)鍵參數(shù)，繪制關(guān)鍵參數(shù)的退化曲線并分析關(guān)鍵參數(shù)退化對性能指標的影響，繪制性能 退化曲線。
[0015] 其詳細步驟如下：
[0016] 第一階段：系統(tǒng)建模
[0017] 系統(tǒng)建模分為以下三個步驟：
[0018] 步驟⑴動力學機構(gòu)建模：
[0019] 將標稱狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為初始值，利用ADAMS首先建立機構(gòu)的三維實體模 型；之后，在三維模型上添加運動副約束，如固定約束、轉(zhuǎn)動副約束、平面約束以及接觸約束 等等；添加驅(qū)動力，力的大小由液壓系統(tǒng)傳過來，在下一階段進行設(shè)置。具體建模過程詳見
【具體實施方式】。
[0020] 步驟⑵將動力學機構(gòu)模型參數(shù)化：
[0021] 動力學機構(gòu)參數(shù)化建模，是以上一步建立的機構(gòu)三維實體模型為基礎(chǔ)，將部件的 幾何參數(shù)坐標化，并將坐標位置與軸（或軸套）直徑等關(guān)鍵參數(shù)定義為參數(shù)化變量。通過 修改這些參數(shù)化變量的數(shù)值，就可以改變模型中的關(guān)鍵參數(shù)，進行新的運動學/動力學分 析，從而免去了重新進行幾何建模的繁瑣過程。對于基于故障機理的多學科建模仿真來說， ADAMS參數(shù)化建模使得主控程序能夠自主修改模型的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值，為后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化打 下基礎(chǔ)。
[0022] 步驟⑶液壓系統(tǒng)建模
[0023] 本發(fā)明所采用的液壓系統(tǒng)主要是由控制信號、動力裝置、控制機構(gòu)以及執(zhí)行元件 四部分組成的帶有反饋控制的液壓伺服系統(tǒng)。在AMESim中完成相應(yīng)部分的建模。具體建 模過程詳見【具體實施方式】。
[0024] 第二階段：聯(lián)合仿真
[0025] 聯(lián)合仿真分為以下兩個步驟：
[0026] 步驟⑷設(shè)置聯(lián)合仿真環(huán)境，搭建聯(lián)合仿真平臺：
[0027] 本發(fā)明所采用的多學科建模及仿真方式為ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真的方式，聯(lián)合 仿真環(huán)境的設(shè)置可參見ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真的接口文件，完成聯(lián)合仿真平臺的搭建， 兩個軟件可以實時的進行數(shù)據(jù)的傳輸。ADAMS中動力學機構(gòu)的動力由AMESim中液壓部分產(chǎn) 生并通過外部求解器傳遞過去，其運動所產(chǎn)生的速度和位移作為AMESim中控制信號的反 饋。具體設(shè)置仿真環(huán)境方法詳見【具體實施方式】。
[0028] 步驟(5)聯(lián)合仿真的注意事項：
[0029] 在ADAMS主控AMESim的情況下，接口類型如選擇ADAMS選項，則聯(lián)合仿真采用的 為AMESim模型完全導入方式，若選擇的為AdamsCosim選項，則聯(lián)合仿真采用共仿真方式。 應(yīng)選擇AdamsCosim共仿真方式，單擊0K按鈕完成接口設(shè)置。因為只有在該仿真方式下才 能進行離散的計算，在每個仿真步長運算一次，最終在ADAMS求解器中完成相應(yīng)的計算。若 接口類型選擇ADAMS選項，在該接口方式下只能進行連續(xù)的運算，然而由于運動副之間的 接觸力變化極其不規(guī)律，斜率較大，會導致計算結(jié)果不收斂，ADAMS求解器會報錯，無法進行 求解。
[0030] 在選擇完接口之后，還需設(shè)置一個transfer function (轉(zhuǎn)換函數(shù)），在轉(zhuǎn)換函數(shù) 中將數(shù)組力作為ADAMS彈射機構(gòu)的輸入，將彈射機構(gòu)的displacement (位移）和vel (速 度）作為輸出數(shù)組傳遞給AMESim中的液壓系統(tǒng)。其它步驟可參見李劍鋒等人編著的《機電 系統(tǒng)聯(lián)合仿真與集成優(yōu)化案例解析》一書。
[0031] 步驟(6)運行聯(lián)合仿真：
[0032] 在一個液壓伺服機構(gòu)的聯(lián)合仿真模型建立完成之后，可以運行以檢查模型的正 確性。由于ADAMS/Solver集成了外部動態(tài)鏈接庫，只能選擇腳本仿真方式。仿真類型選 擇Transient-Dynamic (動態(tài)仿真），并設(shè)置仿真時間和步長，單擊0K。仿真開始之后，可 以在ADAMS圖形窗口中觀察機構(gòu)運動情況，AMESim鏈