CN111581737B - 一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法及***，属于产品可靠性仿真试验技术领域，包括以下步骤：S1：构建结构件模型；S2：确定仿真环境参数；S3：进行有限元仿真；S4：确定结构件的故障数据特征；S5：构建可靠性分析模型；S6：评估结构件可靠性；S7：确定给定阈值下的可靠度；S8：判断分析结果是否符合预期。在所述步骤S1中，数字样机模型是指二维或三维数字样机模型。在所述步骤S2中，初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件包括确定环境参数服从的分布类型、确定具体的参数值以及确定载荷条件。本发明能尽快暴露结构件设计缺陷，减少结构件可靠性试验时间，提高可靠性评估效率，缩短产品研制周期，降低研制成本。

Description

一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法及***

技术领域

本发明涉及产品可靠性仿真试验技术领域，具体涉及一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，风力机、数控机床、工程机械等工程装备逐步向柔性化、精密化、智能化发展。这类复杂装备***一旦发生故障或健康状态发生劣化，往往会给用户或相关企业带来巨大的经济损失，甚至造成灾难性后果。

因此，面对日益苛刻的客户要求和市场竞争的压力，研发者在满足产品功能/性能设计的同时，也投注越来越多的精力和成本用于提高产品可靠性。但是，高可靠的产品并不能凭空获得，它是由设计阶段所决定，并通过制造技术和科学管理来保证。传统的产品设计是基于手工、采用安全系数来确定设计方案，在设计阶段难以发现并改进潜在缺陷，几乎都要靠“事后验证”来解决。数据表明：一个设计缺陷，通过后期试验或用户反馈来暴露和解决，至少需要10倍以上的成本；同时需要长时间的试验验证才能得出结论，试验效率低，产品的研制周期长，上述问题亟待解决，因此，提出一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法及***。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何尽快地暴露产品的设计缺陷，减少产品可靠性试验的时间，提高可靠性试验的效率，缩短研制周期，降低研制成本，提供了一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：构建结构件模型

构建结构件的数字样机模型；

S2：确定仿真环境参数

初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件；

S3：进行有限元仿真

输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真；

S4：确定结构件的故障数据特征

根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值等故障数据特征；

S5：构建可靠性分析模型

根据潜在故障零部件(步骤S4中的失效模块)的有限元仿真数据与潜在故障零部件的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数如位置参数、尺度参数和比例参数，进而基于分布函数确定结构件的可靠性分析模型；

S6：评估结构件可靠性

利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估，将结构件的可靠度定义如下：

R(S)＝P{S≥s}

其中，S为***某物理量的失效阈值，s为仿真过程中物理量的实际值，S≥0，s≥0；R(S)≥0，R(0)＝0，

给定失效阈值S下，***的可靠度可由实际值s小于等于S发生的概率大小所表征；

S7：确定给定阈值下的可靠度

对于给定的失效阈值S，N个离散样本(或单元)可靠度可由以下公式计算：

其中，s_i为第i个样本(或单元)的仿真中物理量的实际值，I(S，s_i)为第i个样本(或单元)的指示函数，说明该样本(或单元)是否满足阈值要求，通过满足阈值要求的统计样本(或单元)数目来确定可靠度大小；

S8：判断分析结果是否符合预期

比较计算所得可靠度与预期可靠度，若达到预期可靠度，则输出数字样机模型；若未达到预期可靠度，需重新设计结构件并提高其可靠性后重复步骤S3～S8，直至达到预期可靠度。

更进一步的，在所述步骤S1中，数字样机模型是指二维或三维数字样机模型。

更进一步的，在所述步骤S2中，初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件，具体包括环境参数所服从的分布类型、分布函数位置参数、比例参数、尺度参数以及载荷阈值。

更进一步的，在可靠性工程中，环境参数服从的分布类型包括指数分布、威布尔分布、正态分布和正态对数分布等，确定载荷条件包括对环境载荷和工作载荷的确定。

更进一步的，在上述步骤S4中，确定结构件的故障数据特征，如各故障数据的范围、极值点、均值、方差、峰度等。

更进一步的，在所述步骤S5中，估计分布函数的参数的方式为矩估计法、极大似然估计法和最小二乘法等方法任一种。

更进一步的，在所述步骤S6中，可靠度是指在规定时间和规定条件下，结构件或***完成其规定功能的概率，其定义域为[0，1]；在***或结构件刚开始使用或完全修复后，其可靠度为1，***或结构件能完全正常工作，随着时间的增长，可靠度逐渐下降，直至可靠度为0，***或者结构件发生失效或出现故障；故障概率密度函数是在任意时刻的下一个单位时间内，剩余样本中发生故障的概率。

更进一步的，在所述步骤S8中，重新完成结构件设计并提高其可靠性所采用的方式为数字样机重新设计法、环境参数重新确定法等方法中任一种。

本发明还提供了一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估***，包括：

数字样机模型构建模块，用于构建结构件的数字样机模型；

环境参数设定模块，用于初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件；

有限元仿真模块，用于利用输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真；

故障数据特征确定模块，用于根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值；

可靠性分析模型构建模块，用于根据潜在故障零部件的有限元仿真数据与潜在故障零部件的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数，进而确定结构件的可靠性分析模型；

可靠性评估模块，用于利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估；

可靠度计算模块，用于结合可靠性分析模型，对于给定的失效阈值S，结合故障概率密度函数f(s)对结构件的可靠度进行计算；

分析结果比较模块，用于将计算得到的可靠度与预期可靠度进行比较，根据比较结果执行既定步骤；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述数字样机模型构建模块、环境参数设定模块、有限元仿真模块、故障数据特征确定模块、可靠性分析模型构建模块、可靠性评估模块、可靠度计算模块、分析结果比较模块均与中央处理模块电连接。

本发明相比现有技术具有以下优点：该基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，能尽快暴露结构件设计缺陷，减少结构件可靠性试验时间，提高可靠性评估效率，缩短产品研制周期，降低研制成本，值得被推广使用。

附图说明

图1为本发明实施例二中结构件可靠性仿真试验方法的总体流程示意图

图2为本发明实施例二中有限元仿真的具体实施流程示意图；

图3为本发明实施例二中经有限元仿真后基于应力应变的仿真云图；

图4为本发明实施例二中经有限元仿真后基于位移变形的仿真云图；

图5为本发明实施例二中基于总位移量的分布图；

图6为本发明实施例二中基于总位移量的可靠度函数曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1：构建结构件模型

构建结构件的数字样机模型。

S2：确定仿真环境参数

初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件。

S3：进行有限元仿真

输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真。

S4：确定结构件的故障数据特征

根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值等故障数据特征。

S5：构建可靠性分析模型

根据潜在故障零部件(即步骤S4中的失效模块)的有限元仿真数据与潜在故障零部件的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数(位置参数、比例参数和尺度参数)，进而基于分布函数确定结构件的可靠性分析模型。

需要说明的是，本实施例的失效机理为某零件受到载荷作用时，会发生变形，当载荷足够大时，变形将达到最大允许极限值，此时可以判定其即将发生失效；再者，零件在受到载荷作用下，内部也会出现残余应力，当其超过屈服极限时，工程上也认为其发生失效。

S6：评估结构件可靠性

利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估，将结构件的可靠度定义如下：

R(S)＝P{S≥s}

其中，S为***某物理量的失效阈值，s为仿真过程中物理量的实际值，S≥0，s≥0；R(S)≥0，R(0)＝0，

给定失效阈值S下，***的可靠度可由实际值s小于等于S发生的概率大小所表征。

S7：确定给定阈值下的可靠度

对于给定的失效阈值S，N个离散样本(或单元)可靠度可由以下公式计算：

其中，s_i为第i个样本(或单元)的仿真中物理量的实际值，I(S，s_i)为第i个样本(或单元)的指示函数，说明该样本(或单元)是否满足阈值要求，通过满足阈值要求的统计样本(或单元)数目来确定可靠度大小。

S8：判断分析结果是否符合预期

比较计算所得可靠度与预期可靠度，若达到预期可靠度，则输出数字样机模型；若未达到预期可靠度，需重新设计结构件并提高其可靠性后重复步骤S3～S8，直至达到预期可靠度。

在所述步骤S1中，数字样机模型是指二维或三维数字样机模型。

在所述步骤S2中，初步确定仿真过程的环境参数或载荷条件，具体包括环境参数所服从的分布类型、分布函数位置参数、比例参数、尺度参数以及载荷阈值。

在可靠性工程中，环境参数服从的分布类型包括指数分布、威布尔分布、正态分布和正态对数分布等，确定载荷条件包括对环境载荷和工作载荷的确定。

在所述步骤S4中，确定结构件的故障数据特征，如各故障数据的范围、极值点、均值、方差、峰度等。

在所述步骤S5中，估计分布函数的参数的方式为矩估计法、极大似然估计法和最小二乘法等方法任一种。

在所述步骤S6中，可靠度是指在规定时间和规定条件下，结构件或***完成其规定功能的概率，其定义域为[0，1]；在***或结构件刚开始使用或完全修复后，其可靠度为1，***或结构件能完全正常工作，随着时间的增长，可靠度逐渐下降，直至可靠度为0，***或者结构件发生失效或出现故障；故障概率密度函数是在任意时刻的下一个单位时间内，剩余样本中发生故障的概率。

在所述步骤S8中，重新完成结构件设计并提高其可靠性所采用的方式为数字样机重新设计法、环境参数重新确定法等方法中任一种。数字样机重新设计法即重新设计产品样机，环境参数重新确定法需重新假设使用环境进而确定新的环境参数。

本实施例还提供了一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估***，包括：

数字样机模型构建模块，用于构建结构件的数字样机模型；

环境参数设定模块，用于初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件；

有限元仿真模块，用于利用输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真；

故障数据特征确定模块，用于根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值；

可靠性分析模型构建模块，用于根据潜在故障零部件的有限元仿真数据与潜在故障零部件的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数，进而确定结构件的可靠性分析模型；

可靠性评估模块，用于利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估；

可靠度计算模块，用于结合可靠性分析模型，对于给定的失效阈值S，结合故障概率密度函数f(s)对结构件的可靠度进行计算；

分析结果比较模块，用于将计算得到的可靠度与预期可靠度进行比较，根据比较结果执行既定步骤；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述数字样机模型构建模块、环境参数设定模块、有限元仿真模块、故障数据特征确定模块、可靠性分析模型构建模块、可靠性评估模块、可靠度计算模块、分析结果比较模块均与中央处理模块电连接。

实施例二

如图1所示，本实施例提供了一种基于有限元仿真的结构件可靠性分析方法，结构件可靠性仿真试验的步骤如下：

1)、构建结构件的数字样机模型，数字样机模型是指二维或三维数字样机模型，在本实施例中此处的结构件采用某雷达结构件。

2)、初步确定仿真的环境参数等，针对某雷达结构件在重力加速度环境下的仿真，采用正态分布产生随机环境参数，正态分布参数如表1所示。

表1本实施例中环境参数设置表

3)、输入数字样机模型、环境参数等，开始有限元仿真，如图2所示，仿真的软件为ABAQUS，具体的仿真实施流程如图2所示。

4)、分析结构件的仿真数据，确定结构件的故障数据特征

输出有限元仿真基于应力应变和位移变形的仿真云图，如图3、图4所示。根据结构件所承受环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块，及其失效阈值等。故障数据特征确定方法应以数据分析技术为基础，确定故障数据的范围、分布等；以总位移量为例，如图5所示。

5)、确定用于可靠性分析的结构件有限元仿真数据，构建可靠性分析模型

选择适宜地分布函数模型；可靠性工程中常用分布有指数分布、威布尔分布、正态分布和正态对数分布等；

根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数；参数估计的精度取决于样本数据的完整性和所采用的算法，常用的估计算法有矩估计法、极大似然估计法和最小二乘法等。

6)、结构件可靠性评估

基于分布模型和参数估计结果，确定可靠度函数并绘制图像；图6为基于总位移量的可靠度图像，总位移量与零部件可靠度之间有着密切关系。

7)、结合可靠性分析模型，确定可能阈值下的可靠度大小

在本实施例中，总位移量阈值为1.0×10-4mm时，相应地部件可靠度为98.21％，符合预期要求。

综上所述，上述两组实施例的基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，能尽快暴露结构件设计缺陷，减少结构件可靠性试验时间，提高可靠性评估效率，缩短产品研制周期，降低研制成本，值得被推广使用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建结构件模型

构建结构件的数字样机模型；

S2：确定仿真环境参数

初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件；

S3：进行有限元仿真

输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真；

S4：确定结构件的故障数据特征

根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值；

S5：构建可靠性分析模型

根据步骤S4中失效模块的有限元仿真数据与失效模块的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数，进而基于分布函数确定结构件的可靠性分析模型；

S6：评估结构件可靠性

利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估，将结构件的可靠度定义如下：

R(S)＝P{S≥s}

其中，S为***某物理量的失效阈值，s为仿真过程中物理量的实际值，S≥0，s≥0；R(S)≥0，R(0)＝0，

给定失效阈值S下，***的可靠度可由实际值s小于等于S发生的概率大小所表征；

S7：确定给定阈值下的可靠度

对于给定的失效阈值S，N个离散样本可靠度由以下公式计算：

其中，s_i为第i个样本的仿真中物理量的实际值，I(S，s_i)为第i个样本的指示函数，说明该样本是否满足阈值要求，通过满足阈值要求的统计样数目来确定可靠度大小；

S8：判断分析结果是否符合预期

比较计算所得可靠度与预期可靠度，若达到预期可靠度，则输出数字样机模型；若未达到预期可靠度，需重新设计结构件并提高其可靠性后重复步骤S3～S8，直至达到预期可靠度。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S1中，数字样机模型是指二维或三维数字样机模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S2中，初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件，具体包括环境参数所服从的分布类型、分布函数位置参数、比例参数、尺度参数以及载荷阈值。

4.根据权利要求3所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在可靠性工程中，环境参数服从的分布类型包括指数分布、威布尔分布、正态分布和正态对数分布，确定载荷条件包括对环境载荷和工作载荷的确定。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S4中，确定结构件的故障数据特征，包括各故障数据的范围、极值点、均值、方差、峰度。

6.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S5中，估计分布函数的参数的方式为矩估计法、极大似然估计法和最小二乘法任一种。

7.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S6中，可靠度是指在规定时间和规定条件下，结构件或***完成其规定功能的概率，其定义域为[0，1]；在***或结构件刚开始使用或完全修复后，其可靠度为1，***或结构件能完全正常工作，随着时间的增长，可靠度逐渐下降，直至可靠度为0，***或者结构件发生失效或出现故障；故障概率密度函数是在任意时刻的下一个单位时间内，剩余样本中发生故障的概率。

8.根据权利要求1所述的一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估方法，其特征在于：在所述步骤S8中，重新完成结构件设计并提高其可靠性所采用的方式为数字样机重新设计法或环境参数重新确定法。

9.一种基于有限元仿真的结构件可靠性评估***，其特征在于：根据权利要求1～8任一所述的结构件可靠性评估方法对结构件的可靠性进行评估，包括：

数字样机模型构建模块，用于构建结构件的数字样机模型；

环境参数设定模块，用于初步确定仿真过程的环境参数、载荷条件；

有限元仿真模块，用于利用输入结构件的数字样机模型及已确定的仿真环境参数，进行有限元仿真；

故障数据特征确定模块，用于根据结构件所承受的环境参数，结合结构件的故障模式、影响及危害性分析报告、有限元分析数据，确定结构件的潜在失效位置、失效模块及其失效阈值；

可靠性分析模型构建模块，用于根据失效模块的有限元仿真数据与失效模块的失效机理，选择分布函数模型，根据数据样本和分布模型，估计分布函数的参数，进而确定结构件的可靠性分析模型；

可靠性评估模块，用于利用可靠度、故障概率密度函数对结构件可靠性进行评估；

可靠度计算模块，用于结合可靠性分析模型，对于给定的失效阈值S，结合故障概率密度函数f(s)对结构件的可靠度进行计算；

分析结果比较模块，用于将计算得到的可靠度与预期可靠度进行比较，根据比较结果执行既定步骤；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关动作；

所述数字样机模型构建模块、环境参数设定模块、有限元仿真模块、故障数据特征确定模块、可靠性分析模型构建模块、可靠性评估模块、可靠度计算模块、分析结果比较模块均与中央处理模块电连接。

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