CN105354399B - 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 - Google Patents
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Abstract
一种基于故障机理的液压伺服机构多学科长周期可靠性建模方法，按五个阶段进行：一、系统建模，有动力学机构建模、动力学模型参数化和液压系统建模；二、联合仿真，有设置联合仿真环境、搭建联合仿真平台，选择联合仿真方式，设置转换函数，运行联合仿真；三、单学科故障机理、模式注入，有动力学机构的故障机理注入及液压系统故障模式的注入；四、多学科故障机理、模式的注入，实现同时在液压系统与动力学机构中注入故障机理、模式；五、仿真分析，单点故障影响分析，找出系统的薄弱环节以及关键参数，刻画关键参数的退化轨迹及性能退化轨迹，得到可靠性相关数据。该方法首次实现多学科故障机理、模式的注入，完善了长周期可靠性建模方法。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
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
(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。
(2)技术方案
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。
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；
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；
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；
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泵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；
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点；
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。
其详细步骤如下：
第一阶段：系统建模
系统建模分为以下三个步骤：
步骤⑴动力学机构建模：
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。
步骤⑵将动力学机构模型参数化：
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。
步骤⑶液压系统建模
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。
第二阶段：联合仿真
联合仿真分为以下两个步骤：
步骤⑷设置联合仿真环境，搭建联合仿真平台：
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。
步骤⑸联合仿真的注意事项：
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OK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。
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。
步骤⑹运行联合仿真：
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OK。仿真开始之后，可以在ADAMS图形窗口中观察机构运动情况，AMESim链接库同时将计算结果写入一个文件，AMESim以后台运行的方式进行计算。
第三阶段：单学科故障机理、模式注入
单学科故障机理、模式注入分为以下两个部分：
步骤⑺动力学机构故障机理的注入：
本发明中，动力学机构的基本性能仿真模型通过ADAMS中建立，退化机理模型在Matlab中建立，Matlab通过批处理的形式多次调用ADAMS与AMESim联合仿真模型(ADAMS主控)，每次调用都读取一次转动副或者移动副之间的接触力的值以及相应的角位移或者线位移，利用故障机理模型计算出连杆机构每次运动的磨损量，如Archard粘着磨损模型等。
之后在ADAMS中更新转动副轴的直径以及滑动副滑块的高度，注入退化量，建立长周期可靠性仿真模型。因此，本发明实现参数实时更改，建立多元退化的长周期性能可靠性仿真模型，直到退化量达到失效阈值时仿真结束，记录仿真次数或时间，作为动力学机构的一个可靠性评价指标。
步骤⑻液压系统故障模式的注入：
液压系统故障模式的注入是在ADAMS与AMESim联合仿真的基础上并且AMESim作为主控软件的情况下实现的，本发明主要考虑液压系统的液压缸的内漏、管路的泄露以及液压泵的效率降低三种故障模式。
液压缸的内漏通过在液压缸的两端并连一条串有流量计和节流阀的油路，通过控制节流阀的流量来控制液压缸内漏的大小；管路的泄露通常采用乘以泄露系数μ的方式来注入其泄露故障模式；液压泵的效率降低故障模式也是通过乘以一个效率系数η，随着时间的变化，η的取值可以从99％取到90％。
第四阶段：多学科故障注入
在液压伺服机构中，液压系统与执行机构的性能退化是同时发生的，而且还是相互影响的，因此，单学科故障注入的仿真就显得不准确、不科学。为此本发明提出了一种多学科故障注入的长周期可靠性建模方法。
多学科注入故障即机、电、液系统中同时注入相应的故障模式、机理。对于本发明的液压伺服机构则需要在液压部分与动力学机构部分同时注入故障机理，但是由于ADAMS与AMESim软件自身的限制，ADAMS是调用AMESim生成的外部求解器进行运算，因此，MATLAB无法在ADAMS与AMESim两个软件中同时进行故障注入。
想实现液压伺服机构液压部分与动力学机构部分同时注入故障，只能寻找一种近似替代的方法。本发明采用以下方式进行多学科故障注入：
步骤⑼在联合仿真情况下(AMESim主控ADAMS)，注入液压元件故障机理与故障模式，如液压缸效率降低、液压缸的内漏等，得到其关于推力退化曲线，得到液压系统在不同时间、不同退化状态下所提供的推力与0时刻标称状态下能提供推力的比值k。之后在ADAMS主控AMESim时，利用MATLAB批处理的方式在动力学机构中注入故障机理，并且在将液压部分提供的推力乘以一个液压部分在该时间段的退化系数k，得到液压系统与动力学机构同时退化的仿真过程，这样就得到了液压伺服机构基于故障机理的多学科长周期可靠性仿真模型。
第五阶段：仿真分析
仿真分析分为以下两个步骤：
步骤⑽单点故障影响分析：
单点故障分析即通过分析每个零部件发生故障如四连杆机构的转动副或者移动副发生磨损之后，对整个四连杆机构性能(阻力与运动位置精度)的影响，以便找出弹射机构的薄弱环节与关键参数，为以后的可靠性分析与设计优化提供必要支持，大大减少了工作量。
步骤⑾关键参数退化对性能指标的影响：
通过步骤⑽确定了影响系统性能的关键参数，在这一步骤中需要刻画关键参数的退化曲线，分析关键参数退化对系统整体性能的影响，绘制系统性能退化曲线。记录达到失效阈值时的仿真时间或者仿真次数，作为系统的一个可靠性指标(无维修工作期MFOP)。
综上所述，本发明所述方法共分为五大阶段，每一阶段又细分为几个步骤，共有11个步骤。系统建模为下一阶段联合仿真之用；联合仿真是为了更加真实地反应系统的行为，为下一阶段的单学科故障注入提供了准确有效的仿真平台；单学科故障注入是进行多学科故障注入的技术准备；在多学科长周期可靠性模型中进行多学科故障注入之后才能进行仿真分析、关键参数退化及性能退化曲线的刻画。上述五大阶段环环相扣，缺一不可。
(3)功效、优点
本发明首次提出基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，实现了联合仿真情况下的多学科故障注入，完善了可靠性优化设计的仿真建模技术。其功效主要在于以下三方面：
1.针对可靠性相对较高的产品，在缺少可靠性相关数据的情况下，通过长周期可靠性建模仿真刻画出关键参数的退化曲线，为可靠性设计分析提供数据支持。
2.同时考虑液压系统与动力学机构的参数退化及其对整体系统性能的影响，可真实、准确的刻画出性能退化曲线。
3.该方法打破了传统单学科故障注入的局限性，考虑多学科退化相互作用，具有更广泛的适用性。
附图说明
图1本发明所述方法的流程框图。
图2(a)动力学机构实体模型正视图(b)动力学机构实体模型立体图。
图3运动副编号图。
图4液压系统模型。
图5联合仿真模型。
图6液压系统推力退化系数k曲线。
图7多学科故障机理注入原理图。
图8运动副8铰链轴的磨损退化曲线。
图9运动副9铰链轴的磨损退化曲线。
图10系统性能退化曲线。
图中符号说明如下：
①转动副1
②转动副2
③转动副3
④转动副4
⑤滑动副5
⑥转动副6
⑦转动副7
⑧转动副8
⑨转动副9
⑩滑动副10
具体实施方式
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，如图1所示；该方法依次按照下述五个阶段进行；本发明采用由液压控制的连杆机构作为案例，具体实施方式详述如下：
第一阶段：系统建模
系统建模分为以下三个步骤：
步骤⑴动力学机构建模：
在ADAMS首先建立机构标称尺寸的连杆机构三维实体模型，实体模型如图2所示；之后，在三维模型上添加约束与运动副，ADAMS模型中的运动副编号如图3所示。其中，连杆机构壳体与大地固定连接；前后滑块与活塞杆固定连接；前后滑轨与壳体固定连接；用转动副4(或9)与滑动副5(或10)两类约束来刻画现实中的滑块滑轨。各运动副约束的种类总结如表1所示。
表1连杆机构运动副约束种类
步骤⑵将动力学机构模型参数化：
动力学机构参数化建模，是以上一步建立的连杆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。其参数化的标称值如表2所示，其更加细致的建模步骤和相应参数化步骤为ADAMS软件常见技术，这里不再赘述。
表2参数化变量及其标称值
步骤⑶液压系统建模
本案例中液压系统主要是由控制信号(采用PID控制)、动力装置(采用280MPa的恒压源)、控制机构(采用喷嘴挡板阀)以及执行元件(单作用液压缸)四部分组成的伺服控制系统。该系统的模型如图4所示，具体建模步骤为AMESim软件常用技术，这里不再赘述。
第二阶段：联合仿真
联合仿真分为以下两个步骤：
步骤⑷设置联合仿真环境，搭建联合仿真平台：
设置联合仿真环境，搭建联合仿真模型如图5所示，设置AMESim与ADAMS联合仿真环境为比较成熟的技术，这里不再详细说明，需要说明的是注意事项。
步骤⑸联合仿真的注意事项：
选择AdamsCosim共仿真方式，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。如表3所示
表3装换函数设置表
步骤⑹运行联合仿真：
选择脚本仿真方式。选择Transient-Dynamic(动态仿真)仿真类型，并设置仿真时间和步长，运行仿真，可以在ADAMS图形窗口中观察机构运动情况。
第三阶段：单学科故障机理、模式注入
单学科故障机理、模式注入分为以下两个部分：
步骤⑺动力学机构故障机理的注入：
本发明中，动力学机构的基本性能仿真模型通过ADAMS中建立，退化机理模型在Matlab中建立，Matlab通过批处理的形式多次调用ADAMS与AMESim联合仿真模型(ADAMS主控)，每次调用都读取一次转动副或者移动副之间的接触力的值以及相应的角位移或者线位移，利用Archard粘着磨损机理模型计算出连杆机构每次运动的磨损量。
式中：Q--总磨损量；L--滑动距离；N--法向载荷；σb--材料的压缩屈服极限(硬度)。
之后在ADAMS中更新转动副轴的直径以及滑动副滑块的高度，注入退化量，建立长周期可靠性仿真模型。实时更改参数，建立多元退化的长周期性能可靠性仿真模型，直到退化量达到失效阈值时仿真结束，记录仿真次数或时间。
步骤⑻液压系统故障模式的注入：
液压系统故障模式的注入是在ADAMS与AMESim联合仿真的基础上并且AMESim作为主控软件的情况下实现的，本发明主要考虑液压系统的液压缸的内漏、管路的泄露以及液压泵的效率降低三种故障模式。
液压缸的内漏通过在液压缸的两端并连一条串有流量计和节流阀的油路，通过控制节流阀的流量来控制液压缸内漏的大小；管路的泄露通常采用乘以泄露系数μ的方式来注入其泄露故障模式；液压泵的效率降低故障模式也是通过乘以一个效率系数η，随着时间的变化，η的取值可以从99％取到90％。
通过对液压系统注入以上三种故障模式，可以得到液压系统所提供最大推力关于时间的退化系数k的曲线，退化系数k为退化后的系统所提供的推力与标称状态下推力的比值。如图6所示。
第四阶段：多学科故障注入
在液压伺服机构中，液压系统与执行机构的性能退化是同时发生的，而且还是相互影响的，因此，单学科故障注入的仿真就显得不准确、不科学。为此本发明提出了一种多学科故障注入的长周期可靠性建模方法。
多学科注入故障即机、电、液系统中同时注入相应的故障模式、机理。对于本发明的液压伺服机构则需要在液压部分与动力学机构部分同时注入故障机理，但是由于ADAMS与AMESim软件自身的限制，ADAMS是调用AMESim生成的外部求解器进行运算，因此，MATLAB无法在ADAMS与AMESim两个软件中同时进行故障注入。
想实现液压伺服机构液压部分与动力学机构部分同时注入故障，只能寻找一种近似替代的方法。本发明采用以下方式进行多学科故障注入：
步骤⑼在联合仿真情况下(AMESim主控ADAMS)，注入液压元件故障机理与故障模式，如液压缸效率降低、液压缸的内漏等，得到其关于推力退化曲线，得到液压系统在不同时间、不同退化状态下所提供的推力与0时刻标称状态下能提供推力的比值k。之后在ADAMS主控AMESim时，利用MATLAB批处理的方式在动力学机构中注入故障机理，并且在将液压部分提供的推力乘以一个液压部分在该时间段的退化系数k，得到液压系统与动力学机构同时退化的仿真过程，这样就得到了液压伺服机构基于故障机理的多学科长周期可靠性仿真模型。其建模原理如图7所示
第五阶段：仿真分析
仿真分析分为以下两个步骤：
步骤⑽单点故障影响分析：
单点故障分析即通过分析每个转动副或者移动副发生磨损之后，对整个弹射装置性能(阻力与位置精度)的影响，以便找出弹射机构的薄弱环节与关键参数，通过ADAMS与AMESim联合仿真，增加每个运动副的间隙，得到单点故障对性能影响分析表，如表4所示。
表4单点故障对性能影响分析表
通过表3可以发现，当磨损量相同的时候，转动副8和转动副9阻力上升较大，位置误差也相对较大，因此把转动副8、9定为薄弱环节，转动副8、9的轴的直径作为关键参数。
步骤⑾关键参数退化对性能指标的影响：
通过步骤⑽确定了影响系统性能的关键参数(包括液压部分与机构部分)，在这一步骤中需要刻画关键参数的退化曲线，分析关键参数退化对系统整体性能的影响，绘制系统性能退化曲线。记录达到失效阈值时的仿真时间或者仿真次数，作为系统的一个可靠性指标(无维修工作期MFOP)。
图8中可以看到，运动副8铰链轴的磨损随着运动次数的增加呈近似线性增长，在第270次动作时磨损深度达到1.564×10-5米。图9显示运动副9铰链轴的磨损随着动作次数的增加呈先加快后减慢的趋势，在第270次动作时磨损深度达到8.718×10-4米。图10显示同时注入运动副8、9铰链轴的磨损以及液压缸的内漏、管路泄露和液压泵效率降低等故障模式情况下，系统性能即弹射机构阻力退化曲线图。
基于故障机理的多学科仿真分析考虑了液压私服机构的4种故障模式，分别与运动机构卡滞、运动精度超标、运动副8与9的磨损失效相关。根据构件的材料特性与初步的物理试验结果，确定了这些故障模式的判据条件。故障模式及其故障判据见下表5
表5液压私服机构故障模式及故障判据
经过仿真计算，标称状态下的液压私服机构MFOP为完成154次动作，设该液压私服机构平均每5小时完成1次动作，则MFOP换算成时间单位为770小时。
液压伺服机构多学科可靠性建模仿真刻画出的其性能退化曲线(即连杆机构阻力退化曲线)如图10所示，在运动120次之前连杆机构阻力逐渐减小，在运动120次之后，随着磨损量的增大，系统阻力快速上升，在第154次动作之后磨损量达到失效阈值，被判定为失效，系统阻力上升为2486N。
综上所述，本发明所述方法共分为五大阶段，每一阶段又细分为几个步骤，共有11个步骤。系统建模为下一阶段联合仿真之用；联合仿真是为了更加真实地反应系统的行为，为下一阶段的单学科故障注入提供了准确有效的仿真平台；单学科故障注入是进行多学科故障注入的技术准备；在多学科长周期可靠性模型中进行多学科故障注入之后才能进行仿真分析、关键参数退化及性能退化曲线的刻画。上述五大阶段环环相扣，缺一不可。
Claims (1)
1.一种基于故障机理的液压伺服机构多学科可靠性建模方法，其特征在于：该方法依次按照下述五个阶段进行；
第一阶段 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；
第二阶段 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，完成液压伺服机构模型构建；
第三阶段 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泵功率下降的故障模式，在动力学机构中注入粘着磨损的故障机理；
第四阶段 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；
第五阶段 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；
其详细步骤如下：
第一阶段：系统建模
系统建模分为以下三个步骤：
步骤⑴动力学机构建模：
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，即固定约束、转动副约束、平面约束以及接触约束；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；
步骤⑵将动力学机构模型参数化：
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，并将坐标位置与轴直径的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，就能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；
步骤⑶液压系统建模
所采用的液压系统是由控制信号、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；
第二阶段：联合仿真
联合仿真分为以下两个步骤：
步骤⑷设置联合仿真环境，搭建联合仿真平台：
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，完成联合仿真平台的搭建，两个软件能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；
步骤⑸联合仿真的注意事项：
在ADAMS主控AMESim的情况下，接口类型选择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OK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；
在选择完接口之后，还需设置一个transfer function即转换函数，在转换函数中将各组力作为ADAMS弹射机构的输入，将弹射机构的displacement即位移和vel即速度作为输出各组传递给AMESim中的液压系统；
步骤⑹运行联合仿真：
在一个液压伺服机构的联合仿真模型建立完成之后，能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即动态仿真，并设置仿真时间和步长，单击OK；仿真开始之后，能在ADAMS图形窗口中观察机构运动情况，AMESim链接库同时将计算结果写入一个文件，AMESim以后台运行的方式进行计算；
第三阶段：单学科故障机理、模式注入
单学科故障机理、模式注入分为以下两个步骤：
步骤⑺动力学机构故障机理的注入：
动力学机构的基本性能仿真模型通过ADAMS中建立，退化机理模型在Matlab中建立，Matlab通过批处理的形式多次调用ADAMS与AMESim联合仿真模型即ADAMS主控，每次调用都读取一次转动副及移动副之间的接触力的值以及相应的角位移及线位移，利用故障机理模型计算出连杆机构每次运动的磨损量；
之后在ADAMS中更新转动副轴的直径以及滑动副滑块的高度，注入退化量，建立长周期可靠性仿真模型；因此，实现参数实时更改，建立多元退化的长周期性能可靠性仿真模型，直到退化量达到失效阈值时仿真结束，记录仿真次数及时间，作为动力学机构的一个可靠性评价指标；
步骤⑻液压系统故障模式的注入：
液压系统故障模式的注入是在ADAMS与AMESim联合仿真的基础上并且AMESim作为主控软件的情况下实现的，考虑液压系统的液压缸的内漏、管路的泄露以及液压泵的效率降低三种故障模式；
液压缸的内漏通过在液压缸的两端并连一条串有流量计和节流阀的油路，通过控制节流阀的流量来控制液压缸内漏的大小；管路的泄露通常采用乘以泄露系数μ的方式来注入其泄露故障模式；液压泵的效率降低故障模式也是通过乘以一个效率系数η，随着时间的变化，η的取值能从99％取到90％；
第四阶段：多学科故障注入
在液压伺服机构中，液压系统与执行机构的性能退化是同时发生的，而且还是相互影响的，因此提出了一种多学科故障注入的长周期可靠性建模方法；
多学科注入故障即机、电、液系统中同时注入相应的故障模式、机理；对于液压伺服机构则需要在液压部分与动力学机构部分同时注入故障机理，但是由于ADAMS与AMESim软件自身的限制，ADAMS是调用AMESim生成的外部求解器进行运算，因此，MATLAB无法在ADAMS与AMESim两个软件中同时进行故障注入；
想实现液压伺服机构液压部分与动力学机构部分同时注入故障，只能寻找一种近似替代的方法，采用下述步骤⑼方式进行多学科故障注入：
步骤⑼在联合仿真情况下即AMESim主控ADAMS，注入液压元件故障机理与故障模式，得到其关于推力退化曲线，得到液压系统在不同时间、不同退化状态下所提供的推力与0时刻标称状态下能提供推力的比值k；之后在ADAMS主控AMESim时，利用MATLAB批处理的方式在动力学机构中注入故障机理，并且在将液压部分提供的推力乘以一个液压部分在该时间段的退化系数k，得到液压系统与动力学机构同时退化的仿真过程，这样就得到了液压伺服机构基于故障机理的多学科长周期可靠性仿真模型；
第五阶段：仿真分析
仿真分析分为以下两个步骤：
步骤⑽单点故障影响分析：
单点故障分析即通过分析每个零部件发生故障，以便找出弹射机构的薄弱环节与关键参数，为以后的可靠性分析与设计优化提供必要支持；
步骤⑾关键参数退化对性能指标的影响：
通过步骤⑽确定了影响系统性能的关键参数，在这一步骤中需要刻画关键参数的退化曲线，分析关键参数退化对系统整体性能的影响，绘制系统性能退化曲线，记录达到失效阈值时的仿真时间及仿真次数，作为系统的一个可靠性指标即无维修工作期MFOP。
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| CN105843070A (zh) * | 2016-03-21 | 2016-08-10 | 上海核工程研究设计院 | 一种主蒸汽隔离阀驱动装置及其联合仿真建模方法 |
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| CN106354924A (zh) * | 2016-08-29 | 2017-01-25 | 中冶赛迪工程技术股份有限公司 | 基于fmi的装备协同仿真系统及其构建方法 |
| CN106874629B (zh) * | 2017-03-27 | 2020-06-16 | 徐工集团工程机械股份有限公司 | 一种摊铺机自动找平系统仿真建模方法 |
| CN107832507A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-23 | 北京航空航天大学 | 一种基于退化仿真算法的超高压液相泵可靠性分析方法 |
| CN108287483B (zh) * | 2018-01-17 | 2021-08-20 | 北京航空航天大学 | 一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法及系统 |
| CN108595736B (zh) * | 2018-02-05 | 2021-10-15 | 西北工业大学 | 一种机构可靠性建模方法 |
| CN108490806B (zh) * | 2018-04-23 | 2020-10-13 | 北京航空航天大学 | 基于改进故障模式与影响分析的系统弹性仿真评估方法 |
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| CN109684698B (zh) * | 2018-12-14 | 2023-07-25 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 一种基于工程模拟器的飞机液压系统功率建模优化方法 |
| CN109488657A (zh) * | 2019-01-07 | 2019-03-19 | 大连理工大学 | 一种射流管电液伺服阀的仿真建模方法 |
| CN110287506B (zh) * | 2019-03-20 | 2021-03-30 | 北京航空航天大学 | 一种液压泵柱塞副温度场的流固热耦合分析方法 |
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| CN111159851B (zh) * | 2019-12-09 | 2020-12-11 | 蓝箭航天空间科技股份有限公司 | 一种伺服机构简化模型建模方法、存储介质及服务器 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008034499A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-27 | Kompetenzzentrum - Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft Mbh | A device for and a method of performing a coupled simulation of a physical structure described by several separate models |
| CN102136017A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-07-27 | 北京航空航天大学 | 一种适用于动态系统模型的随机因素注入方法 |
| CN102393864A (zh) * | 2011-06-28 | 2012-03-28 | 电子科技大学 | 一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮的可靠性优化方法 |
| CN102419553A (zh) * | 2010-09-28 | 2012-04-18 | 华东理工大学 | 冷连轧平整机液压伺服系统数字模型与故障预示方法 |
| CN104850889A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-08-19 | 北京航空航天大学 | 一种飞机旋转作动器驱动装置自适应故障检测、隔离与健康评估的方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008034499A1 (en) * | 2006-09-21 | 2008-03-27 | Kompetenzzentrum - Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft Mbh | A device for and a method of performing a coupled simulation of a physical structure described by several separate models |
| CN102419553A (zh) * | 2010-09-28 | 2012-04-18 | 华东理工大学 | 冷连轧平整机液压伺服系统数字模型与故障预示方法 |
| CN102136017A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-07-27 | 北京航空航天大学 | 一种适用于动态系统模型的随机因素注入方法 |
| CN102393864A (zh) * | 2011-06-28 | 2012-03-28 | 电子科技大学 | 一种基于故障物理的航天器用谐波齿轮的可靠性优化方法 |
| CN104850889A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-08-19 | 北京航空航天大学 | 一种飞机旋转作动器驱动装置自适应故障检测、隔离与健康评估的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《双余度机电静压伺服机构的故障隔离与重构技术研究》;赵春等;《载人航天》;20150615;第21卷(第3期);全文 * |
| 《基于AMESim的液压位置伺服系统故障仿真》;陈阳国等;《机床与液压》;20070915;第35卷(第9期);全文 * |
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