CN106339520B - 基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法，可用于变量泵类机械产品失效行为分析、小子样产品寿命试验等技术领域。本发明通过对高速恒变量泵进行故障模式及影响分析、受力特性建模和环境载荷分析等，给出了高速恒压变量泵的流固耦合动态有限元建模和仿真分析方法，并基于参数随机化技术，最终给出了基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法。本发明的寿命预测方法可有效补充实际产品的可靠性试验数据，减少实际产品试验时间和样本量，缩短研制周期，降低研发成本，快速明确产品薄弱环节，易于指导产品实现可靠性改进。

Description

基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法

技术领域

本发明属于变量泵类机械产品寿命预测技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法。

背景技术

高速恒压变量泵作为弹上运动轨迹伺服机构动力装置，在导弹飞行过程中为其轨迹控制提供液压动力，为弹上伺服机构内的重要部件，要求其具有极高的工作性能和可靠性。由于高速恒压变量泵具有小子样的特点，无法开展大样本的可靠性增长和可靠性评估试验，不能有效确定薄弱环节和主要故障模式，这给产品可靠性增长和工艺改进带来了很大的难度。另外，从公开资料中，尚未查到关于高速恒压变量泵寿命预测的相关文献和专利。

随着数字样机技术的发展，将传统的有限元仿真与可靠性分析结合，可有效发现产品设计中的薄弱环节，缩短产品研制周期，这对解决小子样高速恒压变量泵产品的寿命预测和可靠性分析问题具有重要的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够根据流固耦合动态仿真对高速恒压变量泵进行可靠性分析和寿命预测的方法，用于变量泵类机械产品失效行为分析、小子样产品寿命试验等技术领域。

本发明的基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法，包括如下步骤：

(5)确定高速恒压变量泵的失效模式及薄弱部件

根据高速恒压变量泵各部件的功能、结构和历史失效数据，利用FMEA分析方法对高速恒压变量泵进行失效模式及薄弱部件的确定，其中，确定配流副是易失效的薄弱环节，其失效主要为磨损失效，最终影响高速恒压变量泵的液压油泄漏，所述配流副由配流盘、缸体和柱塞组成，用于实现配流功能；

(6)对高速恒压变量泵配流副各部件受力特性进行建模

在配流副的受力特性中，柱塞是衔接摩擦副的关键部件，即柱塞顶端为滑靴副受力、柱塞中部为柱塞副受力、柱塞底部为配流副施力。

柱塞和滑靴在稳定工况下所做的运动是匀速圆周运动和直线往复运动的合成，在径向和轴向这两个方向上都有惯性力，滑靴和柱塞所受的力包括：柱塞受到滑靴的惯性力P₁₂，滑靴作用于柱塞的力N₁₂，柱塞本身的惯性力(轴向惯性力P_g2和径向惯性力P_L2)，缸体对柱塞的正压力R₁和R₂以及两者所产生的摩擦力F₁和F₂，柱塞底部的液压力N_p，及柱塞阻尼孔内的沿阻尼孔方向上分布的油液压力和柱塞内直径为d的孔中的油液压力；

(7)计算高速恒压变量泵配流副各部件的实际受力值

根据高速恒压变量泵配流副的几何结构，采用ProE软件建立配流副装配的CAD模型，并将其导入到LMS Motion动力学仿真软件中，建立配流副有限元仿真模型，基于AMEsim系统仿真软件，建立了液压油的流体AMEsim模型，设置配流副LMS Motion模型和流体AMEsim模型自带的软件接口，得到配流副的流固耦合仿真模型；

在配流副流固耦合仿真模型基础上，在LMS Motion软件中施加配流副受力约束边界条件，同时设定高速恒压变量泵的转速值和配流副各部件的材料属性参数，计算得到配流副各部件接触应力随高速恒压变量泵转速的变化关系。

(8)对高速恒压变量泵配流副各部件的磨损寿命进行预测

根据步骤(3)的仿真计算结果，可得到磨损机理Archard模型中的平均法向接触力F_N，系数A，磨损系数K_a等参数，进而辨识出高速恒压变量泵配流副的磨损机理模型(即磨损深度h与时间t的关系)

h＝q×t

其中，q为可根据仿真数据辨识出来的模型参数。

将最大允许磨损深度h_max代入上式中，可得配流副的磨损寿命为

t_life＝h_max/q。

由于加工分散性的存在，配流副各部件的磨损寿命也各不相同。为此，根据配流副各结构部件的实际加工分散性，确定离散系数α。在参数随机化公式下，得到各部件的离散磨损寿命T。参数随机化计算公式如下

T＝t_life+normrnd(α×t_life)

式中，normrnd为正态分布随机数产生。

对离散磨损寿命T进行分布检验，确定分布类型，再根据相应分布下的可靠度计算公式求得产品的可靠度。

本发明的寿命预测方法可有效补充实际产品的可靠性试验数据，减少实际产品试验时间和样本量，缩短研制周期，降低研发成本，快速明确产品薄弱环节，易于指导产品实现可靠性改进。

附图说明

图1为本发明的基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法的具体实施流程图。

图2为本发明的基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法中高速恒压变量泵的结构组成示意图。

图3为本发明的基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法中滑靴受力分析图。

图4为本发明的基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法中柱塞受力分析图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的实施方式，下面将对本发明的方法结合附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明的目的在于提供一种能够根据流固耦合动态仿真对高速恒压变量泵进行可靠性分析和寿命预测的方法，用于变量泵类机械产品失效行为分析、小子样产品寿命试验等技术领域。本发明的具体实施流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：确定高速恒压变量泵的失效模式及薄弱部件

根据高速恒压变量泵各部件的功能、结构和历史失效数据，利用FMEA分析方法对高速恒压变量泵进行失效模式及薄弱部件的确定，其中，确定配流副是易失效的薄弱环节，其失效主要为磨损失效，最终影响高速恒压变量泵的液压油泄露，所述配流副由配流盘、缸体和柱塞组成，用于实现配流功能。高速恒压变量泵的结构组成如图2所示。表1为配流副典型失效模式及失效机理。

表1配流副典型失效模式及机理

目前一般使用Archard模型来描述磨损机理，如下：

式中，V为磨损体积，K_a为磨损系数，F_N为法向力，H为材料硬度，x为磨损行程。

在配流副失效行为中，公式(1)可转换为：

V＝h×A，x＝vt (2)

式中，h为磨损深度，A为缸体与配流盘接触面积，v为转速，t为运行时间。

进而由公式(2)可得配流副磨损失效机理模型为：

因此，只需求出缸体与配流盘运行过程中F_N法向接触力，便可根据模型(3)求得配流副的磨损寿命。

步骤2：对高速恒压变量泵配流副各部件受力特性进行建模

在配流副的受力特性中，柱塞是衔接摩擦副的关键部件，即柱塞顶端为滑靴副受力、柱塞中部为柱塞副受力、柱塞底部为配流副施力。

柱塞和滑靴在稳定工况下所做的运动是匀速圆周运动和直线往复运动的合成，在径向和轴向这两个方向上都有惯性力。滑靴和柱塞的受力情况如图3和图4所示。滑靴和柱塞所受的力包括：柱塞受到滑靴的惯性力P₁₂，滑靴作用于柱塞的力N₁₂，柱塞本身的惯性力(轴向惯性力P_g2和径向惯性力P_L2)，缸体对柱塞的正压力R₁和R₂以及两者所产生的摩擦力F₁和F₂，柱塞底部的液压力N_p，及柱塞阻尼孔内的沿阻尼孔方向上分布的油液压力和柱塞内直径为d的孔中的油液压力。

步骤3：高速恒压变量泵的动力学仿真

根据高速恒压变量泵配流副的几何结构，采用ProE软件建立配流副装配的CAD模型，并将其导入到LMS Motion动力学仿真软件中，建立配流副有限元仿真模型。基于AMEsim系统仿真软件，建立了液压油的流体AMEsim模型，包括柱塞运动信号采集模块、柱塞驱动模块、流体通断控制模块、及油液压力反馈模型，设置配流副LMS Motion模型和流体AMEsim模型自带的软件接口，得到配流副的流固耦合仿真模型。

在配流副流固耦合仿真模型基础上，在LMS Motion软件中施加配流副受力约束边界条件，设定转速值为11000转/分钟和材料属性参数(如表2所示)，计算得到配流副各部件接触应力、单个柱塞流量、液压油反馈力等参数随高速恒压变量泵转速的变化关系。

表2配流副材料属性参数

步骤4：对高速恒压变量泵配流副各部件的磨损寿命进行预测

根据步骤3的仿真结果，可得到磨损机理Archard模型中的平均法向接触力F_N＝2003.2N，磨损行程x＝32.51t，系数A＝0.001252，取缸体、配流盘最软材料为黄铜，硬度值为262，磨损系数K_a＝2×10^-14m/s。进而辨识出高速恒压变量泵配流副的磨损机理模型

h＝3.97069×10^-9t (4)

将配流副的最大允许磨损深度h_max代入上式中，可得到配流副的磨损寿命为

t_life＝h_max/q (5)

一般情况，配流副的最大允许磨损深度为h_max＝0.5mm，则可得磨损寿命为

t_life＝5×10^-4/3.97069×10^-9＝34.98小时

由于加工分散性的存在，配流副各部件的磨损寿命也各不相同。为此，根据配流副各结构部件的实际加工分散性，确定离散系数α。在参数随机化公式下，得到各部件的离散磨损寿命T。参数随机化计算公式如下

T＝t_life+normrnd(α×t_life) (6)

式中，normrnd为正态分布随机数产生。

设置离散系数α＝0.001，接触应力为0.005，在离散系数下，得到各参数的随机化结果如表3所示。

表3各参数的随机化结果

对表3中的寿命结果进行分布假设检验，得到服从μ＝35.00627，σ＝0.0153737的正态分布，从而可得配流副可靠度计算公式为

当t＝34.93637小时，可靠度R＝0.9999973。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (4)

1.基于流固耦合仿真的高速恒压变量泵寿命预测方法，包括如下步骤：

(1)确定高速恒压变量泵的失效模式及薄弱部件

根据高速恒压变量泵各部件的功能、结构和历史失效数据，利用FMEA分析方法对高速恒压变量泵进行失效模式及薄弱部件的确定，其中，确定配流副是易失效的薄弱环节，其失效主要为磨损失效，最终影响高速恒压变量泵的液压油泄漏，所述配流副由配流盘、缸体和柱塞组成，用于实现配流功能；

(2)对高速恒压变量泵配流副各部件受力特性进行建模

在配流副的受力特性中，柱塞是衔接摩擦副的关键部件，即柱塞顶端为滑靴副受力、柱塞中部为柱塞副受力、柱塞底部为配流副施力；

柱塞和滑靴在稳定工况下所做的运动是匀速圆周运动和直线往复运动的合成，在径向和轴向这两个方向上都有惯性力，滑靴和柱塞所受的力包括：柱塞受到滑靴的惯性力P₁₂，滑靴作用于柱塞的力N₁₂，柱塞本身的惯性力，缸体对柱塞的正压力R₁和R₂以及两者所产生的摩擦力F₁和F₂，柱塞底部的液压力N_p，及柱塞阻尼孔内的沿阻尼孔方向上分布的油液压力和柱塞内直径为d的孔中的油液压力；

(3)计算高速恒压变量泵配流副各部件的实际受力值

根据高速恒压变量泵配流副的几何结构，采用ProE软件建立配流副装配的CAD模型，并将其导入到LMS Motion动力学仿真软件中，建立配流副有限元仿真模型，基于AMEsim系统仿真软件，建立了液压油的流体AMEsim模型，设置配流副LMS Motion模型和流体AMEsim模型自带的软件接口，得到配流副的流固耦合仿真模型；

在配流副流固耦合仿真模型基础上，在LMS Motion软件中施加配流副受力约束边界条件，同时设定高速恒压变量泵的转速值和配流副各部件的材料属性参数，计算得到配流副各部件接触应力随高速恒压变量泵转速的变化关系；

(4)对高速恒压变量泵配流副各部件的磨损寿命进行预测

根据步骤(3)的仿真计算结果，得到磨损机理Archard模型中的平均法向接触力F_N，系数A，磨损系数K_a，进而辨识出高速恒压变量泵配流副的磨损机理模型：即磨损深度h与时间t的关系

h＝q×t

其中，q为根据仿真数据辨识出来的模型参数；

将最大允许磨损深度h_max代入上式中，得到配流副的磨损寿命为

t_life＝h_max/q。

2.根据权利要求1所述的高速恒压变量泵寿命预测方法，其中，根据配流副各结构部件的实际加工分散性，确定离散系数α，在参数随机化公式下，得到各部件的离散磨损寿命T，参数随机化计算公式如下

T＝t_life+normrnd(α×t_life)

式中，normrnd为正态分布随机数产生。

3.根据权利要求1所述的高速恒压变量泵寿命预测方法，其中，对离散磨损寿命T进行分布检验，确定分布类型，再根据相应分布下的可靠度计算公式求得产品的可靠度。

4.根据权利要求1所述的高速恒压变量泵寿命预测方法，其中，参数的分散特性依据正态分布求得。