一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，它是多学 科系统工程设计建模仿真软件（即AMESim)与动力学仿真软件（即ADAMS)联合仿真情况 下的液压伺服机构多学科长周期可靠性建模方法，实现了在液压系统与执行机构中同时注 入故障机理、模式，它属于可靠性仿真分析领域一种更加符合工程实际的仿真方法，注重于 刻画常见故障模式与故障机理所导致的液压伺服机构性能模型的参数退化轨迹，分析得出 液压系统与执行机构的关键参数同时退化对整体性能的影响。
【背景技术】
[0002] 系统可靠性与性能一体化设计的核心思想就是在设计之初，将故障机理、故障模 式以及相应的外部环境的扰动通过可靠性建模仿真的方式注入到系统中，建立系统性能输 出响应与关键设计参数之间的数学关系，从而得到相应的可靠性指标。通过上述可靠性建 模仿真分析，可以得出系统中的薄弱环节，为设计人员对系统进行设计优化提供了一种有 效的技术支持。目前，随着科学技术的发展，系统越来越复杂，多为机、电、液系统，因此，设 计者急需提出一种基于故障机理多学科可靠性建模方法。
[0003] 在可靠性仿真建模方面，已有很多学者对其进行了研究，2013年徐萌在其硕士论 文中提出了一种射流管伺服阀长周期可靠性仿真建模方法；YaoWang提出了一种基于雷达 机构磨损退化的可靠性优化算法。迄今为止，绝大多数的可靠性建模都是单学科建模，往往 只针对机构部分或者针对液压部分建模，然而，不同学科之间的参数退化是相互影响的，因 此，单学科退化不能真实地反映出系统的退化轨迹，在进行可靠性优化分析时，其准确性与 有效性有待于考察。
[0004] 传统的可靠性方法通过搜集大量的数据，如产品无维修工作期以及失效时间数 据，进行可靠性数据分析做出推断。然而现如今，随着产品寿的增长，可靠性相关数据不多， 可靠性加速试验的时间成本太高，因此，只能通过长周期可靠性仿真获取产品的可靠性信 息。
[0005] 对此，本发明提出了一种液压伺服机构（基于AMESim与ADAMS联合仿真）的多学 科长周期可靠性建模方法。
【发明内容】
[0006] (1)目的：本发明提供一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方 法，它是一种基于AMESim与ADAMS联合仿真的建模方法，解决复杂机、电、液系统在缺乏可 靠性相关数据的情况下，如何将多学科失效机理同时注入到典型机、电、液系统即液压伺服 机构中的问题，真实、准确地刻画出关键参数退化曲线以及整体性能退化曲线。在设计阶 段，为机、电、液产品的可靠性分析和设计优化提供基础模型。
[0007] (2)技术方案
[0008] 本发明是一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，在联合仿真 情况下同时进行故障注入，该方法首先要分别在AMESim和ADAMS中建立相应的液压模型与 机构的动力学模型；然后搭建联合仿真平台，实现AMESim和ADAMS的联合仿真；其次进行 故障注入，仿真得出关键参数退化曲线以及系统性能参数退化曲线；之后进行单点故障分 析，找出薄弱环节，分析关键参数退化对性能指标的影响；最后得出可靠性指标（无维修工 作期MFOP)。该方法真实而且准确的刻画了液压伺服系统相关参数的退化规律，并有效解决 了复杂机、电、液系统可靠性数据难以获得无法进行可靠性优化设计的难题。
[0009] 本发明一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，该方法依次按 照下述五个阶段进行；
[0010] 1、系统建模：在AMESim中建立液压系统模型，在ADAMS中建立动力学模型；
[0011] 2、联合仿真：配置联合仿真环境，建立液压系统与动力学机构联合仿真模型，完成 液压私服机构模型构建；
[0012] 3、单学科故障机理、模式注入：在液压系统中注入液压缸内漏以及液压栗功率下 降等故障模式，在动力学机构中注入粘着磨损等故障机理；
[0013] 4、多学科故障机理、模式注入：因多学科退化相互影响，必须在联合仿真的情况 下，同时完成液压系统与动力学机构的故障机理、模式的注入，这也是本发明的难点和创新 占.
[0014] 5、仿真分析：分析单个退化因素及单点故障对性能指标的影响，找出薄弱环节中 的关键参数，绘制关键参数的退化曲线并分析关键参数退化对性能指标的影响，绘制性能 退化曲线。
[0015] 其详细步骤如下：
[0016] 第一阶段：系统建模
[0017] 系统建模分为以下三个步骤：
[0018] 步骤⑴动力学机构建模：
[0019] 将标称状态的结构尺寸参数作为初始值，利用ADAMS首先建立机构的三维实体模 型；之后，在三维模型上添加运动副约束，如固定约束、转动副约束、平面约束以及接触约束 等等；添加驱动力，力的大小由液压系统传过来，在下一阶段进行设置。具体建模过程详见
【具体实施方式】。
[0020] 步骤⑵将动力学机构模型参数化：
[0021] 动力学机构参数化建模，是以上一步建立的机构三维实体模型为基础，将部件的 几何参数坐标化，并将坐标位置与轴（或轴套）直径等关键参数定义为参数化变量。通过 修改这些参数化变量的数值，就可以改变模型中的关键参数，进行新的运动学/动力学分 析，从而免去了重新进行几何建模的繁琐过程。对于基于故障机理的多学科建模仿真来说， ADAMS参数化建模使得主控程序能够自主修改模型的关键参数数值，为后续的设计优化打 下基础。
[0022] 步骤⑶液压系统建模
[0023] 本发明所采用的液压系统主要是由控制信号、动力装置、控制机构以及执行元件 四部分组成的带有反馈控制的液压伺服系统。在AMESim中完成相应部分的建模。具体建 模过程详见【具体实施方式】。
[0024] 第二阶段：联合仿真
[0025] 联合仿真分为以下两个步骤：
[0026] 步骤⑷设置联合仿真环境，搭建联合仿真平台：
[0027] 本发明所采用的多学科建模及仿真方式为ADAMS与AMESim联合仿真的方式，联合 仿真环境的设置可参见ADAMS与AMESim联合仿真的接口文件，完成联合仿真平台的搭建， 两个软件可以实时的进行数据的传输。ADAMS中动力学机构的动力由AMESim中液压部分产 生并通过外部求解器传递过去，其运动所产生的速度和位移作为AMESim中控制信号的反 馈。具体设置仿真环境方法详见【具体实施方式】。
[0028] 步骤(5)联合仿真的注意事项：
[0029] 在ADAMS主控AMESim的情况下，接口类型如选择ADAMS选项，则联合仿真采用的 为AMESim模型完全导入方式，若选择的为AdamsCosim选项，则联合仿真采用共仿真方式。 应选择AdamsCosim共仿真方式，单击0K按钮完成接口设置。因为只有在该仿真方式下才 能进行离散的计算，在每个仿真步长运算一次，最终在ADAMS求解器中完成相应的计算。若 接口类型选择ADAMS选项，在该接口方式下只能进行连续的运算，然而由于运动副之间的 接触力变化极其不规律，斜率较大，会导致计算结果不收敛，ADAMS求解器会报错，无法进行 求解。
[0030] 在选择完接口之后，还需设置一个transfer function (转换函数），在转换函数 中将数组力作为ADAMS弹射机构的输入，将弹射机构的displacement (位移）和vel (速 度）作为输出数组传递给AMESim中的液压系统。其它步骤可参见李剑锋等人编著的《机电 系统联合仿真与集成优化案例解析》一书。
[0031] 步骤(6)运行联合仿真：
[0032] 在一个液压伺服机构的联合仿真模型建立完成之后，可以运行以检查模型的正 确性。由于ADAMS/Solver集成了外部动态链接库，只能选择脚本仿真方式。仿真类型选 择Transient-Dynamic (动态仿真），并设置仿真时间和步长，单击0K。仿真开始之后，可 以在ADAMS图形窗口中观察机构运动情况，AMESim链