一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法技术方案

本发明专利技术公开一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，步骤为：利用层级有限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮齿疲劳载荷历程，获得载荷信息；基于齿轮低周疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出轮齿概率疲劳强度曲线；将载荷信息和轮齿概率疲劳强度输入到可靠度预测模型中，得到能够考虑系统结构要素影响的系统疲劳可靠性预测模型，建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统可靠性指标的映射路径。本发明专利技术发挥了核心结构要素的刚度潜力，以平衡大型航空行星装备在可靠性与轻量化要求之间的矛盾；在系统级模型中不需要执行详细的齿根应力计算，同时提出了轮齿概率疲劳强度转化方法，以此节省了大量的仿真与试验成本。真与试验成本。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法


[0001]本专利技术涉及一种大型航空行星机构的系统疲劳预测技术，具体为一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法。

技术介绍

[0002]大型运输直升机是关系到国家核心利益的军民通用型战略装备，是航空科技水平乃至国家综合实力的重要标志。大功率传动系统技术是提高重型直升机性能、降低其噪声与振动水平、控制其寿命周期成本的关键
，本领域技术先进国家在各自的先进重型直升机研发计划中都将大功率传动系统的可靠性与经济可承受性列为关键技术指标，并对传动系统提出了具体的低维护设计要求。在目前服役的数量最多的重型直升机中，大型航空行星机构作为其传动系统的基础与核心，在很大程度上决定着传动系统的科技水平，是制约重型直升机传动系统技术发展的瓶颈之一。
[0003]大型航空行星机构作为与主旋翼直接相联的减速终端，是重型直升机传动系统中载荷环境最差、强度要求最高的动力传递环节。传动系统是直升机三大关键动系统(发动机系统、传动系统、旋翼系统)之一，无论从重量还是空间考虑，传动系统都无法实现冗余设计，因此其核心环节的可靠性将直接决定直升机的服役安全与寿命周期成本。
[0004]在齿轮传动系统的可靠性分析与建模方面，大量研究从可靠性分析与建模的角度详细剖析了齿轮传动在系统构型、载荷传递及失效相关等方面的特殊性。目前这些研究在可靠性分析过程中都对齿轮系统的结构形式进行了大量简化，难以反映系统内部的结构特征对系统可靠性指标的影响方式及程度。
[0005]现有技术中，齿根弯曲应力计算利用了通用有限元工具，它在技术处理上比较灵活，不受几何特征和材料属性等输入条件的限制，分析结果也相对全面(取决于软件的后处理能力)。但通用有限元法在模型设置和求解运算上花费的计算成本较高，通常只适用于齿轮零件或若干轮齿的孤立求解，却难以执行系统层面上的全局运算。而且对轮齿弯曲条件的预测也比较困难，或难以将相应的边界条件添加到模型中去，尤其对于薄壁轮缘齿轮或直接安装在轴承上的齿轮(如具有自转和公转特征的行星轮)情况将更加复杂。

技术实现思路

[0006]针对现有技术在可靠性分析过程中对齿轮系统的结构形式进行了大量简化，难以反映系统内部的结构特征对系统可靠性指标的影响方式及程度，本专利技术提供一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，揭示了其尺寸变化对行星轮系的刚度条件和疲劳可靠性水平的耦合影响机制。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]本专利技术提供一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，包括以下步骤：
[0009]1)齿根应力计算：利用层级有限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮齿疲
劳载荷历程，获得载荷信息，为可靠性预测模型提供载荷输入变量；
[0010]2)齿轮概率疲劳强度拟合：基于齿轮低周疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出轮齿概率疲劳强度曲线，为系统可靠性预测模型提供经济有效的强度输入变量；
[0011]3)建立零件疲劳可靠度计算模型：建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统可靠性指标的映射路径，提出可靠性驱动的行星机构结构尺寸多目标优化设计方法；
[0012]4)将载荷信息和轮齿概率疲劳强度输入到可靠度预测模型中，得到能够考虑系统结构要素影响的系统疲劳可靠性预测模型。
[0013]步骤1)中齿根应力计算包括：
[0014]101)系统级弹性力学行为仿真建模：利用半解析有限元技术构建大型航空行星机构的系统级弹性力学仿真模型，评估系统中大型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合错位量，为齿根应力分析次级子模型提供详细的载荷与位移边界条件；
[0015]102)构建齿根应力分析次级子模型：基于通用有限元法建立高保真度的齿根应力分析次级子模型，在系统级模型中，通过准静态静力学分析得到齿面上的时变载荷线，将其加载到齿根应力分析次级子模型的齿面上作为载荷边界条件；同时将系统弹性变形结果提取出来，加载到齿根应力分析子模型中作为位移边界条件。
[0016]步骤101)评估系统中大型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合错位量为：
[0017]利用RotationMaster软件平台的容差搜索技术筛选出构件连接节点组，并联合调节搜索准则与选择方式等控制参量，建立有限元构件的节点刚性连接；
[0018]将系统中的有限元模型进行缩聚，以提取相应的质量和刚度矩阵，同时，以变形平滑度作为评价指标，借助缩聚节点之间的荷载传递行为来检验各个刚度矩阵的性能；
[0019]在系统模型上施加载荷边界条件，并对其执行准静态弹性力学行为全局运算，获得各个弹性构件的节点位移响应及齿面时变载荷线结果。
[0020]步骤102)中的齿根应力分析次级子模型采用一阶六面体单元，通过RM软件平台推荐的自适应网格密度，以准确捕捉齿根部位陡峭的应力梯度，使齿根应力分析次级子模型计算在有效的预定迭代次数内收敛。
[0021]步骤2)齿轮概率疲劳强度拟合包括以下方法：
[0022]201)齿轮弯曲疲劳试验：利用功率流封闭式齿轮旋转试验机进行齿轮弯曲疲劳加速寿命试验，为大型航空行星系统疲劳可靠性预测模型提供强度信息；
[0023]202)轮齿概率强度拟合：将齿根应力峰值作为应力等级的评定指标，采用成组法分别在多个应力等级下进行齿根弯曲疲劳性能测试，获得的直接数据为齿轮寿命，通过基于齿轮寿命数据来拟合轮齿P
‑
S
‑
N曲线的概率统计转化方法获取可靠性预测模型的直接的强度输入变量。
[0024]步骤3)零件疲劳可靠度分析包括：
[0025]301)建立零件疲劳可靠度计算的条件概率期望值算法：将传统的载荷
‑
强度干涉分析方法进行拓展，建立基于应力水平的概率分布和指定应力水平下的寿命分布计算零件疲劳可靠度的条件概率期望值算法；
[0026]302)考虑失效相关性的串联系统疲劳可靠性评估模型：在确定性载荷作用下系统中各零件的失效相互独立，串联系统的条件可靠度等于各零件条件可靠度的乘积；在系统层面上考虑载荷的不确定性效应，建立串联系统疲劳可靠性评估模型，假设该模型载荷服
从正态分布，并通过正态分布与标准正态分布之间的数学关系变换来实现各个零件的载荷归一化，从而在系统层面上考虑了载荷不确定性效应的影响；
[0027]303)考虑行星系统时序性特征的可靠性模型结构优化：根据行星轮系的周期性运转规律推导行星传动运动学方程，同时系统中各类齿轮在相同时间间隔内的单齿啮合次数被获取，为系统疲劳可靠性评估模型匹配时序性特征属性。
[0028]步骤302)中，对于一次载荷作用下的零件静强度失效问题，将可靠度看作应力的函数，并建立指定应力下的条件可靠度模型；对于疲劳可靠性问题，构造出基于寿命分布计算零件疲劳可靠度的数学表达形式，直接计算随机恒幅循环载荷下的零件疲劳可靠度指标。
[0029]本专利技术具有以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，其特征在于包括以下步骤：1)齿根应力计算：利用层级有限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮齿疲劳载荷历程，获得载荷信息，为可靠性预测模型提供载荷输入变量；2)齿轮概率疲劳强度拟合：基于齿轮低周疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出轮齿概率疲劳强度曲线，为系统可靠性预测模型提供经济有效的强度输入变量；3)建立零件疲劳可靠度计算模型：建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统可靠性指标的映射路径，提出可靠性驱动的行星机构结构尺寸多目标优化设计方法；4)将载荷信息和轮齿概率疲劳强度输入到可靠度预测模型中，得到能够考虑系统结构要素影响的系统疲劳可靠性预测模型。2.根据权利要求1所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，其特征在于步骤1)中齿根应力计算包括：101)系统级弹性力学行为仿真建模：利用半解析有限元技术构建大型航空行星机构的系统级弹性力学仿真模型，评估系统中大型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合错位量，为齿根应力分析次级子模型提供详细的载荷与位移边界条件；102)构建齿根应力分析次级子模型：基于通用有限元法建立高保真度的齿根应力分析次级子模型，在系统级模型中，通过准静态静力学分析得到齿面上的时变载荷线，将其加载到齿根应力分析次级子模型的齿面上作为载荷边界条件；同时将系统弹性变形结果提取出来，加载到齿根应力分析子模型中作为位移边界条件。3.根据权利要求2所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，其特征在于步骤101)评估系统中大型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合错位量为：利用RotationMaster软件平台的容差搜索技术筛选出构件连接节点组，并联合调节搜索准则与选择方式等控制参量，建立有限元构件的节点刚性连接；将系统中的有限元模型进行缩聚，以提取相应的质量和刚度矩阵，同时，以变形平滑度作为评价指标，借助缩聚节点之间的荷载传递行为来检验各个刚度矩阵的性能；在系统模型上施加载荷边界条件，并对其执行准静态弹性力学行为全局运算，获得各个弹性构件的节点位移响应及齿面时变载荷线结果。4.根据权利要求2所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法，其特征在于步骤102)中的齿根应力分析次级子模型采用一阶六面体单元，通过R...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铭，罗源，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：