[发明专利]一种机械零件多失效模式相关可靠度计算方法

说明书

本发明公开一种机械零件多失效模式相关可靠度计算方法，应用于机械产品的可靠性分析技术领域。本发明考虑了各失效模式间的相关性，采用Vine Copula函数把失效模式间的相关性表征出来，建立了多失效模式的多维联合概率密度函数；考虑到多维联合概率密度函数在积分上困难，根据得到的考虑相关性的多失效模式的多维联合概率密度函数把各失效模式转化为相互独立的随机响应；并基于仿真方法和鞍点近似计算多失效模式的失效概率；本发明方法与已有的计算多失效模式的失效概率方法相比，量化了多失效模式间的相关性，与工程实际情况更加接近。

技术领域

本发明属于机械产品的可靠性分析技术领域，特别涉及一种机械零件多失效模式相关性和复杂不确定性输入下的可靠性评估技术。

背景技术

机械结构在复杂使用环境下可能会出现各种失效模式，静强度失效、刚度失效以及疲劳失效是其中主要的失效模式。然而，在实际的工程设计过程中为了简化设计的复杂程度，机械结构在静载荷作用下的强度失效、刚度失效以及在动载荷作用下的疲劳失效对应的可靠性问题是分开考虑的。但对于大多数机械结构而言，这几种失效模式并不是独立的、而是具有较强的相关性，主要体现在：(1)相同的外部载荷对不同的失效模式产生影响(共因失效)；(2)在不同的失效模式中存在相同的设计变量或设计参数。如果不能正确地考虑这些失效模式及其相关性，可能会导致设计结果无法满足设计需求。因此，在机械结构的可靠性设计过程中必须考虑与机械结构总体性能相关的各种失效模式，并重点研究各种失效模式之间的相关性，使得设计的机械结构能够满足实际工程需求。

基于二阶窄理论、相关系数法及二维Copula函数在多失效模式相关下机械结构可靠性评估方面已开展的有益的探索和尝试。但对具有多个失效模式相关性和复杂不确定性输入下的机械结构可靠性评估问题还有待解决。

当机械零件的随机输入参数为多峰分布或更复杂分布时，传统的可靠性方法计算精度和效率已无法满足工程需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种机械零件多失效模式相关可靠度计算方法，有效评估复杂不确定性输入下机械结构的可靠性。

本发明采用的技术方案为：一种机械零件多失效模式相关可靠度计算方法，包括：

S1、分析机械零件的主要失效模式，并根据主要失效模式确定对应的失效物理模型；

S2、确定机械零件的不确定性输入及对应的分布类型；

S3、对机械零件的不确定性输入进行抽样，根据步骤S1的失效物理模型计算得到各主要失效模式对应的随机响应及其随机分布；

S4、根据各主要失效模式对应的随机响应及其随机分布，基于Vine Copula建立机械零件多失效模式的联合概率密度函数；

S5、根据步骤S4得到的多失效模式的联合概率密度函数，基于Rosenblatt变换把各失效模式随机响应转化成相互独立的随机响应；

S6、基于仿真方法和鞍点近似计算各主要失效模式的失效概率；

S7、根据各主要失效模式的失效概率计算多失效模式相关下机械零件的可靠度。

进一步地，所述步骤S4具体为：

S41、基于Vine Copula将多维联合概率密度函数分解为若干个二维Copula函数及边缘概率密度函数的乘积；

S42、基于各失效模式随机响应及边缘分布,利用MLE方法和AIC准则估计树1中各条边对应的最优Copula函数；

S43、后续各层树结构中各边对应的最优Copula函数,利用h方程将上一层树结构中各边的最优Copula函数转化为该层树结构所需数据,利用MLE方法和AIC准则估计该层树结构中各条边对应的最优Copula函数；