一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法技术

本发明专利技术公开一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法，属于航空航天领域。其方法分为三个步骤：利用对

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法


[0001]本专利技术属于航空航天发动机
，具体涉及一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法。

技术介绍

[0002]轮盘作为航空发动机关重件和限寿件，其寿命可靠性直接关系到发动机和飞机的使用安全。构建高置信度的轮盘寿命可靠性设计方法对保证发动机飞行安全尤为迫切和重要。轮盘结构复杂，在服役过程中承受复杂的载荷，不同部位具有不同的失效模式。相同输入变量导致各失效模式具有相关性，忽略相关性将降低可靠性预测精度。因此，有必要开展多失效模式相关性研究，明确失效相关性对轮盘寿命的影响，建立考虑多失效模式及其相关性的可靠性评估方法。
[0003]另一方面，对于具有多失效模式的轮盘结构，结构设计中需要同时满足多个设计指标。这些指标的优化设计属于典型的多目标优化问题。在轮盘多目标可靠性优化设计问题中，不同设计目标之间可能相互冲突，需要在相互冲突的设计目标间搜寻合适的设计目标，以实现最佳的设计结果。因此，需要发展高精度、高效率的多目标优化策略实现轮盘的优化设计，并在优化中考虑失效相关性的影响，从而提高轮盘结构可靠性。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法，利用pair
‑
copula(对
‑
连接)模型建立多失效模式间复杂相关性模型，从系统可靠性角度建立了基于成本函数的可靠性分析和分配模型，并实现了考虑失效相关性的、低成本的可靠性分配方法。通过将结构可靠性指标分配到各失效模式，降低轮盘可靠性分析及优化的计算复杂度，作为后续轮盘可靠性优化的模型基础。从多目标角度开展轮盘结构基于可靠性的优化方法研究，结合可靠性分配模型确定约束函数，并发展改进多目标粒子群优化算法作为优化工具，最后实现轮盘结构可靠性优化设计。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法，具体实现步骤如下：
[0007]第一步，多失效模式相关性分析。引入pair
‑
copula方法进行多元变量相关性表征，首先建立轮盘各失效模式的寿命模型，确定随机输入变量，利用联合抽样方法得到各种失效模式寿命样本点，并通过最大似然估计方法模拟得到pair
‑
copula模型参数，建立描述各失效模式相关性的联合概率分布模型。
[0008]第二步，开展考虑失效相关性的轮盘可靠性分配，将结构的可靠性要求按一定规则分配给每种失效模式。将可靠性分配问题转化为优化问题，表示为：
[0009][0010]其中，min表示取最小值，C是各失效模式成本函数之和，s.t.表示使得，R
s
是通过各失效模式可靠度估计的结构的可靠度估计值，是各失效模式下可靠度R
i
的函数H，R
d
是设计可靠度，即待分配的可靠性指标，n表示失效模式个数，c
i
表示每个失效模式的成本函数，具有指数形式：
[0011][0012]其中，R
i,min
和R
i,max
分别表示第i个失效模式的当前可靠度结果和最大可达到的可靠度，最大可达可靠度通常小于100％，影响成本函数的变化规律，也被称为成本函数的比例参数。f
i
∈[0,1]是提高可靠度的可能性指标，f
i
越高，可靠度越容易提高。
[0013]其中，可靠度估计值R
s
具体计算方法如下：
[0014]轮盘疲劳失效中，各失效模式相互串联，结构寿命由各失效模式下的寿命决定。假设各失效模式寿命均用代理模型描述，表示为：
[0015]N
f,i
＝G
i
(x) (3)
[0016]其中，N
f,i
输表示第i种失效模式的寿命，x表示输入变量，G表示代理模型。
[0017]首先通过协同抽样获取n个失效模式m组寿命样本N
ij
,i＝1,...,n,j＝1,...,m作为相关性分析的输入数据。由于各失效模式间相互串联，结构的寿命可计算为：
[0018]t
s,j
＝min{t
1j
,t
2j
,...,t
nj
}＝min{N
f,ij
·
t
i0
,i＝1,...,n} (4)
[0019]其中，t
ij
表示第i个失效模式第j次抽样计算得到的寿命，t
i0
是第i个失效模式的循环时间，N
f,ij
表示第i个失效模式第j次抽样样本。
[0020]可能性指标具体计算方法如下：
[0021]首先开展危害度分析，评估各失效模式的综合效果，通过风险优先数进行量化。第i个失效模式的风险优先数RPN
i
可计算为：
[0022][0023]其中，s
i
表示严酷度等级，o
i
表示发生度等级，α
ik
表示第i个失效模式对第k个失效模式的影响程度，此处用线性相关系数表示。风险优先数衡量了严酷度和发生率的综合效果，其中严酷度和发生率均通过1
‑
10的等级进行评分。
[0024]对风险优先数进行归一化处理，计算得到可靠度分配权重为：
[0025][0026]其中，r
i
表示第i个失效模式的风险优先数，w
i
为其权重，则每种失效模式的可能性指标f
i
设置为其分配权重，即：
[0027]f
i
＝w
i
,i＝1,...,n (7)
[0028]第三步，开展轮盘可靠性优化设计，通过优化轮盘几何结构，保证在满足可靠度要
求下提高轮盘的寿命。以最大等效应力为目标，通过灵敏度分析获得轮盘关键几何尺寸作为设计变量。优化目标为最大化轮盘的各种失效模式下的寿命。确定设计变量和优化目标后，利用改进的多目标粒子群优化算法完成轮盘多目标可靠性优化设计。
[0029]其中，改进的多目标粒子群优化算法方法如下：
[0030]在粒子群优化算法寻优过程中，单个粒子i在第t+1次迭代中，位置和速度满足控制方程：
[0031]x
i
(t+1)＝x
i
(t)+v
i
(t+1) (8)
[0032][0033]其中，x和v分别表示粒子的位置和速度，上标p和g分别表示粒子的个体最优和全局最优，c1和c2为个体和全局加速因子，r1和r2为[0,1]之间的随机数，ω为惯性权重，控制当前时刻速度继承前一时刻速度的程度。为了加快迭代初始阶段的全局搜索能力，同时促进迭代后期的局部搜索能力，假设惯性权重具有动态特征，随迭代次数线性微分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，进行多失效模式相关性分析：引入pair
‑
copula方法进行多元变量相关性表征，首先建立轮盘各失效模式的寿命模型，确定随机输入变量，利用联合抽样方法得到各失效模式寿命样本点，并通过最大似然估计方法模拟得到pair
‑
copula模型参数，建立描述各失效模式相关性的联合概率分布模型；第二步，进行多失效模式可靠性分配：开展考虑失效相关性的轮盘可靠性分配，将结构的可靠性要求按一定规则分配给每种失效模式；首先获取各失效模式的可能性指标，给定轮盘结构可靠性指标为设计寿命下可靠度不低于指定值，分别开展考虑相关性的可靠性分配，将结构的可靠性指标分配到各失效模式；第三步，进行轮盘多目标可靠性优化设计：通过优化轮盘几何结构，保证在满足可靠度要求下提高轮盘的寿命；以最大等效应力为目标，通过灵敏度分析获得轮盘关键几何尺寸作为设计变量，所述关键几何尺寸包括轮盘内径，轮盘外径，轮盘宽度，榫槽宽度和榫槽厚度，优化目标为最大化轮盘的各失效模式下的寿命；确定设计变量和优化目标后，利用多目标粒子群优化算法完成轮盘多目标可靠性优化设计。2.根据权利要求1所述的一种考虑多失效模式相关性的轮盘可靠性优化方法，其特征在于，所述第二步包括通过可靠性分配中加权因子确定可能性指标，具体计算方法如下：首先开展危害度分析，评估各失效模式的综合效果，通过风险优先数进行量化；第i个失效模式的风险优先数RPN
i
可计算为：其中，s
i
表示严酷度等级，o
i
表示发生度等级，α
ik
表示第i个失效模式对第k个失效模式的影响程度，此处用线性相关系数表示；对风险优先数进行归一化处理，计算得到可靠度分配权重为：其中，r
i
表示第i个失效模式的风险优先数，w
i
为其权重，则每种失效模式的可能性指标f
i
设置为其分配权重，即...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，孔维瀚，刘茜，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：