关键词：机械结构系统;;可靠性;;失效模式相关;;Vine Copula函数;;刚柔耦合动力学模型;;拓扑优化
摘 要：机械结构系统中存在大量的不确定性因素,如载荷、材料属性、结构尺寸等。处理这些不确定性因素通常使用可靠性方法,但传统的可靠性方法大都假设各随机变量相互独立。然而,在大多数情况下随机变量具有相关性且变量间的相关性可能随时间变化而对分析结果产生影响。因此本文着重研究了机械零件及机械结构系统可靠性建模理论和方法。与此同时在满足机械结构系统可靠性的要求下还必须要实现轻量化,轻量化是机械结构系统的创新主题之一。本文以工业机器人为例,对其动力学特性、可靠性及结构优化进行了研究,探讨了动态下机器人的可靠性拓扑优化方法。具体研究内容及成果如下:1)针对多失效模式相关的机械零部件,利用Copula函数描述相关性方面的优势,提出了一种多失效模式相关机械零部件的可靠性建模方法。基于Vine Copula函数将复杂多失效相关的机械零件可靠性问题转换为对多个二维Copula函数进行分析,采用极大似然估计法和AIC信息准则识别最优二维Copula函数。机械零部件失效模式相对较少,获得失效样本就少。为了避免AIC值的变异性,基于改进参数的Bootstrap法提出了失效样本容量较小时最优二维Copula函数的识别。利用Matlab进行模拟检验了改进参数Bootstrap法可行性,进而运用Vine Copula模型来求解多失效模式相关机械零部件的可靠度。最后通过传动轴的算例与其它方法进行比较得出所述方法的合理性、有效性。2)提出机械系统的失效动态相关可靠性可采用动态Vine Copula模型进行刻画。采用Vine Copula函数将复杂多失效相关的机械系统可靠性问题转换为对多个二维动态Copula函数进行分析。利用非参数估计算法,提出经验分布函数—局部极大似然两步法估计动态Copula函数中的时变参数。从而建立动态Vine Copula模型来描述多失效动态相关机械系统串联、并联、串-并联、并-串联及混联时可靠性模型。并重点对机械系统的串联体系可靠性进行建模与分析,进而对机械系统的可靠度进行求解,为刻画多失效模式间的动态相关机械系统可靠性提供了一种新方法。最后通过单级减速器系统的算例验证了所述方法的合理性、有效性。3)利用多体动力学和有限元的方法建立工业机器人刚柔耦合动力学模型,获得工业机器人特殊工况下臂部动态载荷,并对臂部进行动态结构强度可靠性分析。利用Creo1.0创建工业机器人的三维实体模型,导入有限元软件Ansys中,并根据机器人的实际工作,确定工业机器人工作的极限工况,从而进行静力学分析,找出机器人机械臂的危险部位,并求解该工况的稳定载荷。将机器人装配的实体模型导入到Adams中,建立工业机器人的刚柔耦合模型进行动力学仿真,获得机械臂在三种典型工况下的载荷,对比静力学分析结果。最后对臂部进行动态结构强度可靠性分析获得其应力-时间历程曲线,从而找出整机中的薄弱零件,为下一步对薄弱零件建立合适的可靠性拓扑优化模型奠定了基础。4)针对结构系统的多目标可靠性拓扑优化分析,基于SIMP材料插值法的优化准则并结合可靠性理论提出了一种基于折衷规划法归一化子目标,以可靠性指标作为约束条件,建立了机械臂静态刚度和动态振动频率最大化及构件质量的综合目标函数,以层次分析法确定综合目标函数中子目标权重系数,进行臂部结构的综合目标设计,从而获得整机新结构。研究结果表明,优化后得到在满足可靠性的条件下工业机器人整体质量减轻,且整体刚度性能明显增强,各阶固有频率均有适当提高。
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