Issue |
JNWPU
Volume 42, Number 4, August 2024
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Page(s) | 588 - 596 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/jnwpu/20244240588 | |
Published online | 08 October 2024 |
Response surface test simulation of locking system reliability considering kinematic pair wear evolution
考虑运动副磨损的锁止系统可靠性响应面试验仿真
1
School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
2
School of Mechatronic Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China
3
Chengdu Lihang Technology Co., Ltd, Chengdu 610091, China
Received:
19
July
2023
The concentrated load endured by the locking system during the weapon mounting and release procedures may lead to mechanical wear in hinges and kinematic pairs, thereby influencing the functional reliability of the weapon rack mechanism system. This study aims to investigate the impact of kinematic pair wear evolution on the reliability of the locking system. Firstly, a rigid-flexible coupling multi-body dynamics model of the locking system was established to simulate the dynamic behaviors of the rack under different loading conditions. Moreover, the wear amounts of the main kinematic pairs were precisely calculated by the Archard wear model to provide data support for the subsequent reliability analysis. Subsequently, the response surface method was employed to design the orthogonal experiments for the reliability analysis of the locking system, and the reliability degradation law of the locking system within the design lifespan was obtained through the Monte Carlo method simulation. The research findings indicate that the wear of kinematic pairs has a significant effect on the motion function and accuracy of the mechanism. The motion reliability of the mechanism can be maintained above 99% within the design lifespan. Nevertheless, when the usage time exceeds twice the design lifespan, the reliability drops significantly to approximately 85%, and the influence degrees of different wear positions on the reliability were obtained through the sensitivity analysis. The research results not only provide a scientific basis for the optimal design of the locking system but also offer a novel perspective and method for the reliability assessment and maintenance strategy of the weapon rack locking system.
摘要
锁止系统在武器挂载与投放过程中承受的集中载荷可能导致铰链和运动副产生机械磨损, 进而影响武器挂架机构系统的功能可靠性, 文中重点探讨运动副磨损演化对锁止系统可靠性的影响。构建了锁止系统的刚柔耦合多体动力学模型, 以模拟挂架在不同承载工况下的动态行为。通过Archard磨损模型精确计算了主要运动副的磨损量, 为后续可靠性分析提供数据支撑。采用响应面法设计了锁止系统可靠性分析的正交试验, 并通过蒙特卡罗法模拟得到了锁止系统在设计寿命内的可靠性退化规律。研究结果表明运动副磨损对机构运动功能和精度影响显著, 在设计寿命内机构的运动可靠度可维持在99%以上。然而, 当使用时间超过设计寿命2倍时, 可靠度显著下降至约85%, 通过灵敏度分析得到了不同磨损位置对可靠性的影响程度。研究结果不仅为锁止系统的优化设计提供了科学依据, 也为武器挂架锁止系统的可靠性评估和维护策略提供了新的视角和方法。
Key words: locking system / wear and tear / reliability / response surface method / sensitivity
关键字 : 锁止系统 / 磨损 / 可靠性 / 响应面法 / 灵敏度
© 2024 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
作战飞机上武器挂架锁止系统的运动功能可靠性直接关系到飞机的任务执行以及飞行安全。目前对锁止系统的可靠性研究主要以理论分析结合仿真试验展开[1],而考虑磨损演化下的锁止系统运动功能可靠性研究相对较少,因为磨损过程具有非均匀性和不确定性,很难建立精细化的磨损仿真模型。因此,开展运动副磨损演化对武器挂架锁止系统功能可靠性的影响分析是十分必要的。
国内外学者针对机构的磨损可靠性也进行了大量的研究。同长虹等[2]在同时考虑机构中运动副磨损和原始误差影响的前提下建立了机构运动精度可靠度的计算模型。赵竹青[3]以回转副和凸轮副为例,提出了在磨损寿命期内考虑运动副磨损时的机构运动精度可靠性分析计算方法。李超等[4]分析了机构尺寸误差和运动副磨损对机构输出运动精度可靠性的影响。张国伟等[5]基于应力-强度干涉模型建立铰链副磨损可靠性分析模型,并将铰链副间隙误差看作随机变量,确定了许用磨损量和实际磨损量的分布情况。Lee等[6]提出了“有效长度理论”,建立了机构在不同磨损间隙情况下的功能可靠性分析方法。Cai等[7]根据退化失效准则和K-S试验性能参数分布计算了失效概率, 以确定机构的磨损可靠性分布。Ge等[8]基于摩擦学理论建立了以凸轮基圆半径最小和最大接触应力最小为目标函数的模糊优化模型,评估了凸轮磨损程度对机构性能的影响。Shi等[9]采用改进一次二阶矩(AFOSM)方法和蒙特卡罗(MCS)方法,分析了空间四连杆机构运动精度随磨损间隙增大的变化规律。Chen等[10]建立了基于连续接触力模型和静摩擦力模型的球铰运动模型和力模型,提出了一种建立表面轮廓可持续更新的球形间隙接头的通用磨损分析策略。Song等[11]对起落架锁机构的锁紧过程进行可靠性建模,将Kriging代理模型与重要抽样方法相结合进行功能可靠性计算评估。Anil等[12]对直接金属沉积(DMD)试样进行了滑动磨损试验,将双参数威布尔方法用于可靠性研究,计算了不同磨损值下的可靠性。Liu等[13]考虑多转动副联动运动机构的塑性变形和磨损演化,建立了一种新的磨损过程模型,并据此进行了性能失效指标的计算和磨损可靠性分析。
目前,机械系统磨损可靠性分析方法分为2类:数字模拟法(包括蒙特卡罗法、重要抽样法、线抽样法等)、模型替代法(包括响应面法、支持向量机法、BP神经网络法、Kriging方法等)[14]。
本文为了获取某武器挂架锁止系统中运动副的磨损数据,首先通过锁止系统的刚柔耦合多体动力学仿真[15]提取了磨损部位的接触应力、相对滑移距离(转角)等数据,将Archard磨损模型[16]计算的运动副磨损量嵌入到有限元仿真模型中,再利用响应面模型[17]结合蒙特卡罗法研究整体系统在多区域磨损共同作用下的运动功能可靠性,获得磨损可靠性退化规律及各影响因素的灵敏度大小。
1 考虑磨损演化的可靠性分析流程
本文进行磨损演化下锁止系统运动功能可靠性分析的具体步骤如图 1所示。
图1 考虑磨损演化的可靠性分析流程图 |
2 锁止系统刚柔耦合多体动力学仿真
2.1 构建刚柔耦合动力学模型
锁止系统结构如图 2所示,其中锁钩、锁钩轴、导向套、拉杆、限位螺栓、电磁铁芯杆、电磁铁芯-拉杆连接螺栓等关键结构件均作柔性化处理。锁钩材料为镍铬钢(1Cr18Ni9),基座材料为铝合金(7075-T6),其他构件材料为17-4PH不锈钢(0Cr17Ni4Cu4Nb)。磨损主要集中在1~6号运动副,其中FC代表电磁力,FZ代表外载荷。具体载荷工况如图 3所示,材料参数如表 1所示。
将简化后的模型导入ADAMS中完成刚体动力学建模,施加相应的边界条件和载荷,其中磨损运动副通过定义摩擦接触代替运动副连接,在ABAQUS中进行结构模态分析,利用C-B模态综合分析法[18]生成MNF模态中性文件,用于搭建刚柔耦合模型。其流程及模型如图 4~5所示。
图2 锁止系统结构组成 |
图3 解锁中阶段电磁力FC、浮标载荷FZ变化 |
材料参数
图4 刚柔耦合建模流程 |
图5 刚柔耦合模型 |
2.2 刚柔耦合动力学仿真分析结果
根据锁止系统工作原理及仿真试验结果可知,锁止系统的动力学仿真模型与实际运动情况基本一致,都能在0.05 s内完成解锁,且解锁位移满足投放任务要求,并最终能完成自行复位锁定。
输出刚柔耦合动力学与刚体动力学分析结果对比如图 6~7所示。采用纯刚体模型计算时,曲线呈现出开始较缓慢上升后来迅速上升的趋势,且刚体之间不会因为挤压碰撞而变形;但是对于刚柔耦合模型,由于变形的作用会导致位移量被“吃”掉一部分,通过接触力对比可知刚柔耦合仿真接触力开始最大,随后呈逐渐减小的趋势。从位移对比可以看出刚柔耦合仿真结果更加符合实际情况,开钩过程更为平稳;从碰撞接触力看出刚柔耦合动力学模型中柔性体之间不会产生过大冲击。因此,后续可靠性分析计算都基于刚柔耦合模型开展。
图6 锁钩位移对比 |
图7 锁钩接触力对比 |
3 锁止系统主要运动副磨损分析
3.1 Archard磨损模型
目前,通过系列试验验证了的Archard磨损模型广泛用于机构磨损,其磨损计算公式为
式中: V是磨损体积量; s是相对滑移距离; K是无量纲磨损因数; Fn是法向接触力; H是较软材料的布氏硬度, 一般取H=3σs, σs为材料的屈服强度。
根据武器挂架锁止系统的实际情况, 更多的是轴承和轴套的接触磨损, 以磨损深度来表征磨损量更为合适, 则可改写成如(2)式所示形式。
式中: h代表磨损深度; A0代表接触面积;p是接触点处的接触应力,p=Fn/A0; k是线性磨损因数, k=K/H。
依据磨损公式(2), 需要确定接触应力、相对滑移距离、磨损因数、材料的布氏硬度等参数。其中接触应力p计算采用Hertz接触应力σH,如(3)式所示
式中:B0为初始接触线长度; ρ1, ρ2为两圆柱体初始接触线处的曲率半径, 外接触取“+”, 内接触取“-”;E1, E2, ν1, ν2分别是接触体的弹性模量和泊松比。
相对滑移距离s(转角φ)对于运动副来说相对容易确定。对锁止系统而言, 移动副的滑移距离可以通过仿真试验直接输出, 而转动副的转动角度通过(4)式换算成相对滑移距离。
式中: φ代表转角; r代表转动副轴孔半径。
计算磨损量的关键是合理确定磨损因数, 通过查阅《机械设计手册》[19]可得: 0Cr17Ni4Cu4Nb材料之间的磨损因数取70×10-4, 0Cr17Ni4Cu4Nb和7075-T6之间的磨损因数取1×10-4, 1Cr18Ni9和0Cr17Ni4Cu4Nb之间的磨损因数取1.3×10-4。
3.2 磨损部位磨损量计算及影响参数分布类型
摩擦磨损问题具有较强的非线性, 因此在磨损演化仿真时, 1次投放任务等效为2次磨损周期。通过仿真试验测量和查询相关手册得到磨损计算参数,如表 2所示。根据Archard磨损模型初步计算了6个运动副位置的磨损量,如表 3所示。
表 2~3中,磨损部位1~6依次代表: A导向套和拉杆下部、B锁钩轴和锁钩、C拉杆和基座后挡板、D锁钩和限位螺栓、F基座限位孔和拉杆上部、G电磁铁芯杆和电磁铁芯-拉杆连接螺栓。
基于表 3数据, 综合考虑计算成本和仿真可行性后, 选取A, B, C, D等4处磨损位置作为影响因素, 同时考虑到磨损过程中摩擦因数会增大,每个阶段的影响因素取变异系数依次为0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 假定锁止系统的设计寿命为300次投放任务(每次投放产生2次磨损,共计600次磨损), 为探究超限使用下的可靠性退化规律, 按2倍设计寿命进行磨损仿真, 共计600次投放任务(1 200次磨损)。那么再考虑摩擦因数E后最终得到5个影响因素, 根据工程经验每一阶段的磨损会呈现出正态分布, 所以取磨损量的分布类型均为正态分布, 具体如表 4所示。
磨损计算参数详细数值
投放次数及各部位的累积磨损量
影响因素分布
3.3 磨损演化下运动功能失效判据
通过机构简图确定失效判据如图 8所示, 其中锁钩初始状态位于M点, 完成解锁时到达M′点, 导向套中心轴线N是位移参考点。规定锁止系统解锁过程中锁钩在水平X方向的位移l0≥4 mm, 以锁钩解锁后位置M′点到导向套中心轴N点的距离l2=l1-l0≤26 mm(其中l1=30 mm)来判定解锁位移是否满足要求。
锁止系统运动功能失效的极限状态方程为
当g≤0时,解锁成功,否则解锁失败。
图8 确定失效判据 |
4 基于响应面法磨损演化可靠性试验
4.1 响应面法磨损可靠性试验设计
锁止系统的总投放次数为600次, 划分为4个阶段分别进行磨损可靠性响应面试验。利用Design-Expert软件进行响应面试验设计, 考虑到磨损的随机性, 每个因素取三水平, 每一阶段共计41组试验。以第一阶段为例, 最终得到的响应面法正交试验表的部分数据如表 5所示,表中-1, 0, 1代表变量的最小值、均值及最大值。
磨损可靠性正交试验设计表(部分)
4.2 响应面法磨损可靠性试验结果分析
将每个部位的磨损量嵌入到对应运动副。磨损使轴孔配合的转动副对应孔直径增大、轴直径减小, 而面接触配合位置体现为两配合面厚度都减小。调用刚柔耦合模型依次完成所有试验, 提取开钩位移响应值l0, 并将结果输入到Design-Expert中, 进行响应面试验分析。最终得到4个磨损阶段的响应面部分模型,如图 9所示。磨损阶段的近似磨损状态功能函数如表 6所示,表中A, B, C, D, E是经过编码后的取值,范围是[-1, 1]。利用拉丁超立方抽样每组随机抽取5组样本, 分别对比功能函数拟合值与仿真试验的结果, 根据计算可知4个阶段的拟合值与仿真值的平均相对误差都在4%以内, 满足精度要求, 可用于后续进行可靠度和灵敏度分析计算。
图9 磨损阶段响应面模型(部分) |
响应面法拟合结果
4.3 响应面法+蒙特卡罗法的磨损可靠性分析
首先利用拉丁超立方抽样抽取大量样本, 利用蒙特卡罗法程序抽取106组样本分别带入到模型中, 统计所有的输出响应值l0, 并代入方程(5)中, 当g值大于0时即认为锁止系统解锁失效, 反之, 则认为解锁成功。根据事件发生的次数, 计算出发生的频率即为锁止系统在磨损演化下的可靠度以及失效概率, 结果曲线如图 10所示。
从图中可以看出在经历300次投放任务后, 锁止系统的可靠度仍维持在99%以上; 当经历350次投放任务后, 锁止系统的可靠度开始快速下降, 经历600次投放任务后, 可靠度已经下降至85%左右, 说明此时需要对系统进行维护, 对关键部件做好润滑和必要的更换, 可以有效提高整个系统的可靠性。
图10 可靠度与失效概率随磨损周期变化图 |
4.4 基于蒙特卡罗法的磨损可靠性灵敏度分析
锁止系统磨损可靠性对各影响因素的灵敏度分析仍基于蒙特卡罗法进行[20], 其中A, B, C, D, E仍代表上述磨损影响因素。结果如图 11所示。
结果表明: ①磨损因素A影响程度最大, 导向套和拉杆下部磨损量直接影响到拉杆在开钩过程中的运动轨迹是否仍沿着轴线, 当其偏移量过大会导致开钩阻力增大。②磨损因素B和摩擦因数E的影响程度也相对显著, 锁钩轴和锁钩的磨损导致二者接触状态和初始位置的改变,影响到开钩的精确性; 摩擦因数随着磨损次数增加而不断增大, 导致开钩阻力不断增大。均值灵敏度影响程度排序为: A均值>E均值>B均值>C均值>D均值。
图11 影响因素均值灵敏度和标准差灵敏度直方图 |
5 结论
1) 利用响应面法实现了锁止系统刚柔耦合参数化建模与仿真, 为柔性体参数化建模提供了一种思路。根据刚柔耦合模型以及Archard磨损模型计算得到了各关键运动副的磨损量, 得到了各部位磨损量随磨损周期的变化规律, 为定量评估锁止系统的功能可靠性奠定了基础。
2) 可靠性响应面模型分析结果表明, 在多磨损部位共同作用下, 经历寿命期内300次投放任务后, 锁止系统的可靠度仍维持在99%左右。而如果超限使用会导致锁止系统整体可靠性快速下降。
3) 通过可靠性灵敏度分析可知导向套和拉杆下部磨损影响程度最大, 在实际使用中需要对这两处磨损演化情况额外关注, 必要时需及时维护或替换关键部件, 避免因磨损过度导致结构失效。
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图1 考虑磨损演化的可靠性分析流程图 |
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图2 锁止系统结构组成 |
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图3 解锁中阶段电磁力FC、浮标载荷FZ变化 |
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图4 刚柔耦合建模流程 |
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图5 刚柔耦合模型 |
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图6 锁钩位移对比 |
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图7 锁钩接触力对比 |
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图8 确定失效判据 |
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图9 磨损阶段响应面模型(部分) |
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图10 可靠度与失效概率随磨损周期变化图 |
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图11 影响因素均值灵敏度和标准差灵敏度直方图 |
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