基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，通过对柱塞偶件的结构参数、材料参数和工作载荷进行分析，确定影响柱塞偶件可靠性的关键因素，采用随机变量对这些因素的随即不确定性进行建模，使用MATLAB软件产生符合变量分布的样本并通过有限元仿真得到响应值，之后建立初始Kriging代理模型，然后根据学习函数和停止准则更新模型，直达满足精度要求，最后采用蒙特卡罗仿真方法，计算得到任柱塞偶件的失效概率和可靠性灵敏度，解决了当前对柱塞偶件的可靠性进行分析需要大量的实验和仿真的难题，显著降低进行可靠性分析的成本，并且可靠性灵敏度的分析还能为柱塞偶件可靠性提升找出关键影响因素，提供改进的理论方向，更加符合工程实际。更加符合工程实际。更加符合工程实际。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法


[0001]本专利技术属于可靠性分析评估
，具体涉及一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法。

技术介绍

[0002]直列式柱塞泵具有功率密度大，工作压力高，变量控制方便，效率高，寿命长等优点，在工业和行走机械液压系统中有着广泛应用。随着对柴油机性能要求越来越高，柴油机的喷射压力和喷射率越来越高，伴随而来的是柴油机中柱塞偶件的卡滞问题。通常，卡滞可由两个方面的原因导致：(1)柱塞偶件在制造过程和装配过程中存在误差，或者是设计时拧紧力矩设置不合理导致柱塞和柱塞套之间的配合间隙过小，在严峻的工作环境下容易发生卡滞；(2)柱塞偶件在工作供油压力非常大，偶件内部的液压油会产生明显的空化现象。空话现象会产生大量微小气泡，气泡的破裂和油液的冲击会引起柱塞偶件的穴蚀及局部材料微粒脱落，使柱塞偶件卡滞，影响柴油机喷油泵的可靠性。
[0003]目前对柱塞偶件的可靠性研究基本停留在实验和仿真阶段，即只能通过大量实验和仿真判断各个部件的材料、尺寸和供油压力等不确定因素对柱塞偶件可靠性的影响，没有系统的不确定性量化和可靠性分析方法，这导致对柱塞偶件的可靠性进行分析需要消耗大量的资源，而且也无法为提升柱塞偶件的可靠性提供一个明确的改进方向，因此，构建基于自适应代理模型的柱塞偶件可靠性分析方法，对于保障柴油发动机的安全性和高可靠性具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，在显著提高产品可靠性的同时解决了传统可靠性分析计算量大的难题。
[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，具体包括以下步骤：
[0006]S1、分析柱塞偶件的工作及故障信息，确定其失效模式及关键参数；
[0007]S2、使用随机变量对有关参数进行不确定性建模，根据统计信息确定分布类型及分布参数，并采用卡方检验进行检验；
[0008]S3、分析柱塞偶件结构特征，建立柱塞偶件的三维有限元模型；
[0009]S4、根据随机变量的分布产生一定数量的样本作为输入，以这些样本的有限元仿真结果作为输出，建立初始Kriging代理模型；
[0010]S5、采用自适应方法确定对模型精度贡献最大的未观测点，使用有限元仿真计算相应输出并更新Kriging模型；
[0011]S6、判断是否满足终止条件；
[0012]S7、采用蒙特卡罗方法，使用更新完毕的Kriging代理模型计算柱塞偶件的失效概率及可靠性灵敏度。
[0013]所述步骤S1中，通过对柱塞偶件的结构、功能和运行环境进行分析，确定柱塞偶件的失效模式及关键参数，具体包括:
[0014]1)研究不同材料和尺寸参数及载荷条件下传递到柱塞套上端面上的应力大小；
[0015]2)研究不同供油压力下柱塞腔的压力变化及空化情况；
[0016]3)确定柱塞偶件的失效模式。
[0017]有益效果：本专利技术通过对柱塞偶件的结构参数、材料参数和工作载荷进行分析，确定影响柱塞偶件可靠性的关键因素，采用随机变量对这些因素的随即不确定性进行建模，使用MATLAB软件产生符合变量分布的样本并通过有限元仿真得到响应值，之后建立初始Kriging代理模型，然后根据学习函数和停止准则更新模型，直达满足精度要求，最后采用蒙特卡罗仿真方法，计算得到任柱塞偶件的失效概率和可靠性灵敏度，解决了当前对柱塞偶件的可靠性进行分析需要大量的实验和仿真的难题，显著降低进行可靠性分析的成本，并且可靠性灵敏度的分析还能为柱塞偶件可靠性提升找出关键影响因素，提供改进的理论方向，更加符合工程实际。同时，本专利技术的一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法也适用于喷油器等其他有关产品的可靠性分析，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的方案流程图。
[0019]图2是本专利技术柱塞偶件的示意图。
具体实施方式
[0020]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0021]如图1所示，本专利技术提出的一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，主要包括以下步骤：
[0022]S1、分析柱塞偶件的工作及故障信息，确定其失效模式及关键参数。
[0023]由对柱塞偶件工作和故障信息的统计可知其故障主要由配合间隙过小和结构空化严重导致，因此，需研究影响柱塞偶件配合间隙和空化程度的关键因素，具体过程如下：
[0024]在柱塞偶件装配过程中，拧紧力矩的过大会导致配合间隙小于许用间隙，从而发生柱塞偶件的现象，拧紧力矩的表达式如下:
[0025][0026]式中F0为螺纹预紧力，p1为螺距，μ
g
为螺纹间的摩擦系数，μ
k
为紧压空心螺栓与柱塞孔口的摩擦系数，d2为螺纹中径，d
k
为压油出口上表面与螺栓的接触中径，α为普通公制螺纹牙型角的一半。此外，柱塞偶件所用材料的密度ρ1，杨氏模量E1和泊松比μ1的大小会影响材料的形变量，因此和上述表达式中的变量一起被列为需要研究的关键变量。
[0027]在柱塞偶件工作过程中，供油压力直接影响其内部的空化程度，压力越大，空化越严重。因此，需研究柱塞偶件整个工作过程中供油压力的变化情况，表达式如下：
[0028][0029]式中，A
plunger
为柱塞截面积，v为柱塞运动速度，E2为燃油弹性模数，V为柱塞腔容积，A
spill
为进/回油孔溢流面积，Δp2为柱塞腔与低压腔之间的压差，ρ2为燃油密度，μ2为流量系数。
[0030]S2、使用随机变量对有关参数进行不确定性建模，根据统计信息确定分布类型及分布参数，并采用卡方检验进行检验。
[0031]所需的任意分布随机数可由MATLAB软件产生，以正态分布和均匀分布为例，具体包括：基于MATLAB产生的均匀分布随机数和正态分布随机数可表示为：
[0032]x1＝a+(b
‑
a)rand(1,1)
[0033]x2＝normrand(mu,sigma,1,1)
[0034]其中x1为区间[a,b]上的均匀分布随机数，x2为服从均值为mu，标准差为sigma的正态分布随机数。
[0035]对与S1中涉及的关键变量，采用随机变量对其不确定性进行建模。例如对于材料的杨氏模量。密度和泊松比等可采用正态分布随机变量进行建模，如果统计数据较多且卡方检验通过，也可采用如对数正态分布、威布尔分布等其他分布进行建模。此处提到的卡方检验为现有技术，本领域的普通技术人员可以根据现有资料得到，在此不再详细描述其具体过程。
[0036]S3、分析柱塞偶件结构特征，建立柱塞偶件的三维有限元模型；该模型可通过相关有限元分析软件，如ANSYS，对柱塞偶件进行有限元分析计算。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、分析柱塞偶件的工作及故障信息，确定其失效模式及关键参数；S2、使用随机变量对有关参数进行不确定性建模，根据统计信息确定分布类型及分布参数，并采用卡方检验进行检验；S3、分析柱塞偶件结构特征，建立柱塞偶件的三维有限元模型；S4、根据随机变量的分布产生一定数量的样本作为输入，以这些样本的有限元仿真结果作为输出，建立初始Kriging代理模型；S5、采用自适应方法确定对模型精度贡献最大的未观测点，使用有限元仿真计算相应输出并更新Kriging模型；S6、判断是否满足终止条件；S7、采用蒙特卡罗方法，使用更新完毕的Kriging代理模型计算柱塞偶件的失效概率及可靠性灵敏度。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过对柱塞偶件的结构、功能和运行环境进行分析，确定柱塞偶件的失效模式及关键参数，具体包括:1)研究不同材料和尺寸参数及载荷条件下传递到柱塞套上端面上的应力大小；2)研究不同供油压力下柱塞腔的压力变化及空化情况；3)确定柱塞偶件的失效模式。3.根据权利要求1所述的一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，其特征在于，在柱塞偶件装配过程中，拧紧力矩的过大会导致配合间隙小于许用间隙，从而发生柱塞偶件的现象，拧紧力矩的表达式如下:式中F0为螺纹预紧力，p1为螺距，μ
g
为螺纹间的摩擦系数，μ
k
为紧压空心螺栓与柱塞孔口的摩擦系数，d2为螺纹中径，d
k
为压油出口上表面与螺栓的接触中径，α为普通公制螺纹牙型角的一半。4.根据权利要求1所述的一种基于自适应代理模型的柱塞偶件防卡滞可靠性分析方法，其特征在于，在柱塞偶件工作过程中，柱塞偶件整个工作过程中供油压力的变化情况，表达式如下：式中，A
plunger
为柱塞截面积，v为柱塞运动速度，E2为燃油弹性模数，V为柱塞腔容积，A
spill
为进/回油孔溢...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕星飞，吕帆，张子威，杨显锋，徐春龙，侯新荣，唐菲飞，
申请(专利权)人：中国北方发动机研究所天津，
类型：发明
国别省市：