CN106446463A - 航天器结构的产品裕度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器结构的产品裕度评价方法，包括如下步骤：S1：得到产品的广义应力和广义硬度的概率密度函数；S2：根据步骤S1得到的概率密度函数得到联合概率函数；S3：确定选择广义应力与广义硬度的比值或差值作为产品的裕度的评价方式；S4：针对特定概率条件，根据步骤S3确定的评价方式和步骤S2确定的联合概率函数，计算该特定概率条件下的裕度；S5：根据步骤S4确定的裕度进行产品可靠度的评价。

Description

航天器结构的产品裕度评价方法

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种航天器结构的产品裕度评价方法。

背景技术

裕度评价在航天器，特别是航天器的结构产品中普遍应用，如舱段、适配器、包带、贮箱、以及各个分系统的结构产品中，都要需要用裕度进行评价。

裕度的概念应用比较广泛，在国内外有关标准广泛涉及，如美军标MIL-HDBK-83577、欧空局标准ECSS-E-30，GJB 4038、GJB 1307A，HB/Z4、GJB1389；GJB1579、GJB4732、；DL5073；SAPV；CVDA、GB150等标准中都规定了裕度，范围覆盖机械、压力容器、医疗、食品、电子电气、军事、航空航天等各个领域。

裕度理论研究目前已经滞后，满足不了当前工程应用的需要。由于裕度的概念涉及的学科领域十分广泛,科学工作者和工程技术人员在各自的研究领域对裕度的内涵和定义进行了探讨,也利用这一概念努力探讨解决本研究领域安全问题的方法,并取得了积极的结果。但是,有关裕度的研究还远不够深入,具体表现在如下方面:

裕度概念的本质内涵还比较模糊。在国内外的标准和文献中,有相关裕度概念和相关产品参数的具体裕度要求，但是缺少裕度的严格定义，裕度的定义不统一。因此,随研究领域不同,裕度有时表示安全系数,有时表示零件公差或加工余量,有时用以描述安全性或可靠性,有时用以评价系统风险等。这说明不同学者使用的裕度概念可能具有不同的含义。各学者根据自己的理解和解决问题的需要将安全裕度表达成多种形式,目前还没有关于这一概念的公认的科学定义。

裕度的应用基本还处于定性描述和讨论阶段,通过定量计算来解决安全问题的研究工作还比较少。概念应用多,对安全裕度理论系统研究工作很少,导致理论工作无法满足解决实际问题的需要。在工程应用上,虽然有些研究工作涉及了安全裕度的计算问题,但关于安全裕度的理论体系、工程设计方法、分析评价原理等尚未建立起来。这在很大程度上阻碍了安全裕度的应用和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何实现航天器中产品的裕度计算

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种航天器结构的产品裕度评价方法，包括如下步骤：

S1：得到产品的广义应力和广义硬度的概率密度函数；

S2：根据步骤S1得到的概率密度函数得到联合概率函数；

S3：确定选择广义应力与广义硬度的比值或差值作为产品的裕度的评价方式；

S4：针对特定概率条件，根据步骤S3确定的评价方式和步骤S2确定的联合概率函数，计算该特定概率条件下的裕度；

S5：根据步骤S4确定的裕度进行产品可靠度的评价。

可选的，进行裕度评价的产品为支撑舱。

可选的，在所述步骤S1中，得到的广义应力的概率密度函数为：

可选的，在所述步骤S1中，得到广义强度的概率密度函数为：

可选的，在所述步骤S2中，通过将广义应力和广义强度的概率密度函数相乘，从而得到所述联合概率密度函数。

可选的，若步骤S3所确定的评价方式为比值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y/x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

可选的，若步骤S3所确定的评价方式为差值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y-x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

可选的，在所述步骤S5中，进行产品可靠度的评价时，根据裕度数据得到产品的可靠度模型。

本发明认为，广义应力和广义强度都是一定精度条件下，一定范围内的随机变量，现有技术中裕度把广义应力和广义强度进行运算，显然是不合适的，不准确，也不符合工程实际。所以需要回归事实，对此，本发明把广义应力和广义强度都作为随机变量，开展裕度的评价研究。

附图说明

图1是本发明一可选实施例中支撑舱应力的概率密度函数；

图2是本发明一可选实施例中支撑舱强度的概率密度函数；

图3是本发明一可选的实施例中支撑舱的联合概率密度函数；

图4是本发明一可选的实施例中采用比值时裕度1.5的区域示意图；

图5是图4对应的裕度1.5的概率示意图；

图6是本发明一可选的实施例中采用差值时裕度1.5的区域示意图；

图7是对6对应的裕度1.5的概率示意图；

图8是本发明一可选的实施例中采用比值时裕度1.5的区域示意图；

图9是图8对应的裕度1.5的概率示意图；

图10是本发明一可选实施例中支撑舱的可靠度模型。

具体实施方式

以下将结合图1至图10对本发明提供的航天器结构的产品裕度评价方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

本发明提供了一种航天器结构的产品裕度评价方法，本发明优选的实施例中，进行裕度评价的产品为支撑舱。

以航天器的结构产品之一的支撑舱为例，支撑舱主要功能为承载，结构失稳或破坏是影响支撑舱的典型故障模式，主要是由壳体的承载能力不足导致，承载能力的度量指标为强度。因此，支撑舱的特征量参数为强度。

支撑舱在工作任务剖面主要受到振动的影响，因此，支撑舱所受的应力为振动，其衡量参数与强度一致。支撑舱的应力和强度分别如下式，图形分别如图1和图2。

本发明提供的方法包括如下步骤：

S1：得到产品的广义应力和广义硬度的概率密度函数；

裕度评价用比值或差值进行比较，即裕度评价是对同一参数的不同情况下的指标对比，与广义应力强度模型理论吻合。可以根据裕度评价的参数，按照广义应力强度模型，以及参数在工程实际的分布情况，明确广义应力和广义强度的概率密度函数。

在确定参数时，需明确参数是望大/望小特性，还是具有望目特性。望目特性、望大特性与望小特性三者之间可以相互转化。

在本发明可选的实施例中，在所述步骤S1中，应力经过归一化处理，得到的广义应力的概率密度函数为：

强度经过归一化处理，得到广义强度的概率密度函数为：

S2：根据步骤S1得到的概率密度函数得到联合概率函数；

具体来说，根据广义应力和广义强度的概率密度函数，得到联合概率密度函数。因为广义应力和广义强度是对同一参数的衡量，一般情况下，二者相互独立，所以，可以直接相乘得到广义应力和广义强度的联合概率密度函数。可见，在所述步骤S2中，通过将广义应力和广义强度的概率密度函数相乘，从而得到所述联合概率密度函数。

按照上述方法，得到支撑舱的应力和强度的联合概率密度函数，其表达式如下：

S3：确定选择广义应力与广义硬度的比值或差值作为产品的裕度的评价方式；可以选用比值或差值进行比较作为裕度的评价方式。其中，本发明与传统方法区别是本发明是用两个随机变量进行比或差的比较。

S4：针对特定概率条件，根据步骤S3确定的评价方式和步骤S2确定的联合概率函数，计算该特定概率条件下的裕度；

针对比值法：

按照比值法对裕度进行评价，记z＝y/x，其中y为广义强度，x为广义应力。

根据支撑舱的功能特点，按照望大特性，得到不小于z值的裕度区域，以支撑舱裕度z为1.5为例，如图4中浅色区域所示。在此裕度区域上对联合概率密度求积分，如图5中浅色区域积分所得值，即为其概率，记为_p，经积分计算，可以其概率。因而得到支撑舱的裕度为z＝1.5时，概率为_p。

如果要求在概率为_p条件下，求支撑舱的裕度。则通过以下方法。首先记_y＝zx，z为未知参数，明确待积分区域，根据广义应力和广义强度的联合概率密度函数，在待积分区域进行积分，当积分值为_p时，得到相应的z值即为裕度。

可见，若步骤S3所确定的评价方式为比值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y/x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

针对差值法：

按照差值法对支撑舱的裕度进行评价，记z＝y-x，其中，y为广义强度，x为广义应力。按照望大特性，得到不小于z值的裕度区域，以裕度z为1.5为例，如图6中浅色区域所示。在此裕度区域上对联合概率密度求积分，如图7中黄色区域积分所得值，即为其概率，记为_p。因而得到裕度为z时，概率为_p。

如果要求在概率为_p条件下，求裕度。则通过以下方法。首先记y＝x+z，_z为未知参数，明确待积分区域，根据广义应力和广义强度的联合概率密度函数，在待积分区域进行积分，当积分值为_p时，得到相应的z值即为裕度。

上述为单侧的裕度，航天产品有时具有望目特性，例如展开机构，对展开力要求既不能太小，小了打不开；也不能太大，大了会带来冲击。针对这种情况，需开展双侧的裕度分析。具有望目特性的双侧的裕度区域和相应的可靠度分别如图8和图9所示。

可见，若步骤S3所确定的评价方式为差值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y-x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

S5：根据步骤S4确定的裕度进行产品可靠度的评价。

在进一步可选的实施例中，在所述步骤S5中，进行产品可靠度的评价时，根据裕度数据得到产品的可靠度模型。本发明可以明确裕度与可靠度的关系。根据广义应力强度模型，支撑舱可靠度如图10浅色区域积分所示。按照工程实践感受，当裕度为0时，即为可靠度。

本发明定义的裕度是：一定概率p条件下的裕度z。无论是比值法还是差值法，当裕度为0时，其模型都与可靠度模型一致，即当z＝0时，p为可靠度。

在概率一定的情况下，裕度越大，其可靠度越高，与工程实践一致。

可见，本发明不是简单的两个定量的比较，而是两个随机变量的比较，因而考虑裕度的同时还考虑其相应的概率，记为：一定概率_p条件下的裕度z；裕度评价用随机变量的比值或差值进行比较，即裕度评价是对同一参数的不同情况下的指标对比，与广义应力强度模型理论吻合；根据裕度评价的参数，按照广义应力强度模型，以及参数在工程实际的分布情况，明确广义应力和广义强度的概率密度函数；根据广义应力和广义强度的概率密度函数，得到联合概率密度函数；选用比值或差值进行比较作为裕度的评价方式；明确裕度区域，根据广义应力和广义强度的联合概率密度函数，在裕度域进行积分，得到裕度相应的概率；明确裕度与可靠度的关系。无论是比值法还是差值法，当裕度为0时，其模型都与可靠度模型一致，即当z＝0时，_p为可靠度。在概率一定的情况下，裕度越大，其可靠度越高，与工程实践一致。

综上所述，本发明认为，广义应力和广义强度都是一定精度条件下，一定范围内的随机变量，现有技术中裕度把广义应力和广义强度进行运算，显然是不合适的，不准确，也不符合工程实际。所以需要回归事实，对此，本发明把广义应力和广义强度都作为随机变量，开展裕度的评价研究。

Claims (8)

1.一种航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：得到产品的广义应力和广义硬度的概率密度函数；

S2：根据步骤S1得到的概率密度函数得到联合概率函数；

S3：确定选择广义应力与广义硬度的比值或差值作为产品的裕度的评价方式；

S4：针对特定概率条件，根据步骤S3确定的评价方式和步骤S2确定的联合概率函数，计算该特定概率条件下的裕度；

S5：根据步骤S4确定的裕度进行产品可靠度的评价。

2.如权利要求1所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：进行裕度评价的产品为支撑舱。

3.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：在所述步骤S1中，得到的广义应力的概率密度函数为：

$f\left(x\right)=0.35*e^{-{(x-4)}^2}+0.14*e^{-{(x-6)}^2}.$

4.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：在所述步骤S1中，得到广义强度的概率密度函数为：

$f\left(y\right)=0.24*e^{-{(y-6.3)}^2}.$

5.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：在所述步骤S2中，通过将广义应力和广义强度的概率密度函数相乘，从而得到所述联合概率密度函数。

6.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：若步骤S3所确定的评价方式为比值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y/x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

7.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：若步骤S3所确定的评价方式为差值，在所述步骤S4中，在概率p条件下，针对裕度z＝y-x，根据所述联合概率密度函数，在待积分的区域积分，当积分值为p时，得到对应的z值。

8.如权利要求1或2所述的航天器结构的产品裕度评价方法，其特征在于：在所述步骤S5中，进行产品可靠度的评价时，根据裕度数据得到产品的可靠度模型。