机械产品可靠性设计分析-案例

北京航空航天大学工程系统工程系北京航空航天大学工程系统工程系案例教学案例教学 机械产品可靠性设计分析 5/1/20241某锁机构可靠性设计分析某锁机构可靠性设计分析o某锁机构产品说明 o某锁机构FMEA分析o某锁机构FTA分析o了解强度分析仿真o了解动力学分析仿真o了解可靠性分析仿真5/1/20242锥杆式锥杆式概述概述5/1/20243概述概述锥杆式锥杆式5/1/20244概述概述锥杆式锥杆式5/1/20245概述概述周边外翻式5/1/20246概述概述周边内翻式周边内翻式5/1/20247产品说明产品说明o某锁结构示意图5/1/20248单锁运动仿真单锁运动仿真5/1/20249锁系运动仿真锁系运动仿真5/1/202410某锁机构某锁机构FMEA分析分析o某锁机构某锁机构FMEA实施实施 n对接锁系功能分析n故障判据 n对接锁系故障模式分析 n严酷度定义 n危害性定性分析 oFMECA输出 nI、II类故障模式(零件)清单 n危害性矩阵 5/1/202411某锁机构某锁机构FMEA分析分析图1主动钩组件结构功能图 5/1/202412某锁机构某锁机构FMEA分析分析某锁机构（正常）对接阶段功能流程图 5/1/202413某锁机构某锁机构FMEA分析分析o故障判据n在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系统故障。n寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障）均计为影响系统基本可靠性的关联故障；n在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障计为影响任务的关联故障。n零件级产品故障判据 n组件级产品故障判据n部件级产品故障判据5/1/202414某锁机构某锁机构FMEA分析分析表 14 对接锁系故障严酷度的定义严酷度类别严 重 程 度 定 义类(灾难的)这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤亡的故障。类(致命的)这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本功能或影响航天员健康的故障。类(临界的)这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康有些影响。类(轻度的)这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影响产品有效使用和操作。o严酷度定义5/1/202415某锁机构某锁机构FMEA分析分析对接锁系故障模式发生概率等级定义等级定义故障模式发生概率的特征故障模式发生概率（在产品使用时间内）A经常发生高概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%B有时发生中等概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%，小于20%C偶然发生不常发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小于10%D很少发生不大可能发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%，小于1%E极少发生近乎为零某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%o危害性定性分析5/1/202416某锁机构某锁机构FMEA分析分析oFMEA输出nI、II类故障模式(零件)清单 5/1/202417某锁机构某锁机构FTA分析分析o顶事件的选择和描述 o故障树的建造 o故障树的定性分析 o故障树分析的结果和建议5/1/202418某锁机构某锁机构FTA分析分析o某锁机构顶事件的选择和描述 序号 顶事件定义说明1不同步是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性要求2锁紧失败是指在主、被动航天器对接过程中，锁系正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里对控制系统、转换装置的可靠性不进行展开分析）3锁紧保持失败是指在主、被动航天器在联合飞行期间，主、被动锁系结构无法保持结构完整性。5/1/202419某锁机构某锁机构FTA分析分析o故障树的建造锁紧失败故障树5/1/202420某锁机构某锁机构FTA分析分析o故障树定性分析n锁紧失败故障树的最小割集 5/1/202421某锁机构某锁机构FTA分析分析o故障树定性分析n底事件清单 5/1/202422某锁机构某锁机构FTA分析分析o故障树分析的结果和建议 5/1/202423强度分析仿真强度分析仿真o输入条件n功能分析n材料属性n工作环境n载荷分析计算 o输出结果n零件静强度分析计算 n组合件整体分析计算 n零件、组件对比分析5/1/202424强度分析仿真强度分析仿真o材料属性5/1/202425载荷分析计算载荷分析计算某锁载荷、约束示意图 5/1/202426传力路线分析传力路线分析主动钩组件传力路线5/1/202427锁系静强度分析计算锁系静强度分析计算o零件的应力变形云图o零件承载能力分析o组件的应力变形云图o零件、组件计算结果对比分析5/1/202428零件计算示例零件计算示例主动锁钩常温下的应力变形云图5/1/202429零件计算结果零件计算结果5/1/202430动力学分析仿真动力学分析仿真o由于多柔体动力学分析仿真计算量要远远高于刚性体动力学分析，为了仿真效率，采用了双Xeon核心处理器的工作站进行计算，仿真计算环境如下：o（1）软件环境n操作系统：windows 2000 server sp4n仿真软件：MSC.adams 2005 r2o（2）硬件环境n处理器：双Xeon P4 2.8G Hz处理器n物理内存：Kingston Ecc Reg奇偶校验工作站专用内存 41Gn储存介质：双SataII 80G2 组raid0磁盘阵列o为了充分利用系统资源，采用了多线程处理技术来提高仿真速度，利用外部单独的adams solver求解模块进行多线程计算。o仿真时间：16916.78 cpu seconds（约4.7小时）5/1/202431动力学分析仿真动力学分析仿真单组锁动力学模型（含柔性绳索，显示了全部的约束和碰撞关系）5/1/202432动力学分析仿真动力学分析仿真绳轮驱动力矩vs偏心轴转角5/1/202433动力学分析仿真动力学分析仿真锁系锁紧前期的绳轮转角vs时间5/1/202434动力学分析仿真动力学分析仿真被动锁碟簧力vs偏心轴转角性能试验数据低温-505/1/202435动力学分析仿真动力学分析仿真o滑轮、绳轮与钢丝绳索之间的空间摩擦特性对同步性影响较大；o钢丝绳索和碟簧的预紧力对锁系同步性影响较大；o碟簧的阻尼系数对锁系动力学响应的稳定性影响较大；o电机驱动力矩曲线对锁系同步性较大；o按照理论模型优化结果，设置递增预紧力，滞后最严重的不一定是最后一把单锁，锁系各单锁之间存在一个动态平衡过程，该过程受多种因素影响，主要有摩擦系数以及刚性阻尼系数等。5/1/202436动力学分析仿真动力学分析仿真o动力学仿真分析总结：n通过仿真模拟了对接、拉紧保持和解锁三个运动阶段，得到的结果和试验数据比较吻合。n建立了空间三维载荷环境，给出了对接锁中各重要零部件的运动参数及受力情况，并且充分考虑了碰撞摩擦力、运动副摩擦力、碰撞作用力等对运动过程影响较大的关键参数。n实现了离散化多柔体动力学仿真，解决了柔性绳索动力学仿真的难点，建立了一套比较通用的柔性绳索建模仿真思路和方法。n通过参数化建模，搭建了空间对接锁系虚拟样机动力学模型，为运动可靠性分析仿真奠定了良好的基础。5/1/202437可靠性分析仿真可靠性分析仿真5/1/202438可靠性分析仿真可靠性分析仿真5/1/202439谢谢谢谢5/1/202440