CN117763756A - 一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，包括对轴承承载力的计算和对滑动轴承进行可靠性优化设计的主要步骤，其中主要步骤包括：步骤一、确定随机参数的分布；步骤二、定义可靠性优化设计的数学模型；步骤三、采用SORA求解上述可靠性约束优化问题，本发明提供了一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计方法，该方法以油膜体积为目标函数，轴承承载力为约束条件，采用SORA方法求解可靠性约束优化问题。基于本申请的计算方法，能够指导轴承的优化设计，提高其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及航空燃油泵滑动轴承技术领域，尤其涉及一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术。
背景技术
滑动轴承是航空燃油泵的支撑和定位部件，对燃油泵的寿命影响很大，且轴承的制作成本，易损耗，因此对其进行可靠性优化设计，得到最优设计参数能极大地节省使用成本，提高使用寿命。
在轴承的设计方面，由于向军等发明人提供的专利号为：201310153004.9，专利名称为：《一种中空轴式静压轴承动态设计方法》的一文中，以轴承承载能力最大和轴承消耗功率最小为优化目标，采用响应面模型建立设计变量和目标函数之间的近似关系，采用遗传算法或粒子群算法获得静压轴承最佳的设计参数，该方法时静压轴承设计，且没有考虑不确定性的影响，因此其设计效率能进一步提升。
刘志峰等发明人提供的专利号为：201510921327.7，专利名称为：《一种基于粒子群算法的角接触球轴承优化设计方法》的一文中，以角接触球轴承的寿命为优化目标，以轴承的刚度要求、滚珠的接触强度要求及轴承尺寸要求为约束条件，应用粒子群算法对角接触球轴承进行优化，该优化方法也是一种确定性优化方法，没有考虑参数的不确定性信息，且针对的是角接触球轴承。
张义民等发明人提供的专利号：201811365759.4，专利名称为：《基于新颖PSO-SADE的滚动轴承可靠性多目标优化设计方法》和李军星等发明人提供的专利号：202110335277.X，专利名称为《一种基于应力-强度干涉模型的滚动轴承可靠性设计方法》均提出了一种针对滚动轴承的可靠性设计方法，采用张义民等发明人采用粒子群优化算法，而李军星等发明人使用的是轴承设计公式。通过上面的分析，目前还没有针对滑动轴承进行优化设计的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，包括对轴承承载力计算，轴承的参数设置如下表所示，其中x表示随机参数：
通过使用有限差分法和逐次超松弛迭代法联立求解雷诺方程：
弹性变形方程：
能量方程：
和温粘方程：
可得到油膜的压力分布，如图2所示，其中轴承油膜厚度为：
h＝c(1+εcos(θ))+δ
已知滑动轴承油膜压力情况后，采用矩形积分公式，分别对压力垂直方向和水平方向分量进行积分，得到承载力水平分力Fζ和垂直分力Fη：
Fζ＝-∫0 B∫0 2πpsinθdθdz
Fη＝-∫0 B∫0 2πpcosθdθdz
承载力分量Fζ和Fη可通过数值计算：
油膜承载力和偏位角为：
本发明还包括对滑动轴承进行可靠性优化设计的主要步骤如下：
步骤一、确定随机参数的分布
| 随机参数 | 分布类型 | 均值 | 变异系数 |
| 轴承宽度B(mm) | 正态分布 | [20，30] | 0.005 |
| 轴承半径R(mm) | 正态分布 | [12，13] | 0.005 |
| 半径间隙C(mm) | 正态分布 | [0.015，0.025] | 0.005 |
| 转速n(r·min-1) | 正态分布 | 8000 | 0.03 |
| 初始粘度η0(Pa·s) | 正态分布 | 9.66×10-4 | 0.03 |
| 偏心率ε | 正态分布 | 0.8 | 0.03 |
步骤二、定义可靠性优化设计的数学模型
μ∈[μL，μU]
该问题的数学模型是润滑油膜的体积最小，约束是轴承承载力小于给定阈值的概率要小于0.05，其中极限状态函数为：
g(x)＝Fmax-F(x)
步骤三、采用SORA(Sequential Optimization and Reliability Assessment)求解上述可靠性约束优化问题：
SORA通过使用最小性能目标点(MPTP)将概率约束转换为等效的确定性约束。在每个周期，根据前一个周期的可靠性分析中得到的MPTP，通过移动设计变量来评估约束。在周期i，可靠性约束优化问题可近似为：
s.t.：g(μ-s(i))≥0
其中为i-1周期的MPTP点，可以通过下式求得：
其中G(u)为标准正态分布空间的极限状态函数，/>为标准正态分布空间到原空间的映射关系。
本发明还包括了实验案例如下：本发明的优势可通过以下仿真实验进一步说明：
1.优化结果
采用SORA求解轴承可靠性优化设计问题的结果如表2所示：
表2滑动轴承的设计结果
| 方法 | 设计点(mm) | 最小值 | 模型调用次数 |
| SORA | [20，12.36，0.015] | 6.1040×10-6 | 480 |
| PMA | [20，12.36，0.015] | 6.1041×10-6 | 3759 |
2.结果分析
结论1：由表2可知，本发明使用的SORA方法与经典的PMA方法的计算结果相同，证明了两个方法的准确性。
结论2：从表2还可以看出，SORA方法的模型调用次数为480，而PMA方法为3759，证明了SORA方法的高效性。
结论3：仿真数据表明，本专利提出的理论、方法能够准确、高效地对航空燃油泵滑动轴承进行可靠性优化设计。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计方法，该方法以油膜体积为目标函数，轴承承载力为约束条件，采用SORA方法求解可靠性约束优化问题。基于本申请的计算方法，能够指导轴承的优化设计，提高其使用寿命。
附图说明
图1为轴承油膜示意图。
图2为计算网格和计算结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示：一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，包括对轴承承载力计算，轴承的参数设置如下表所示，其中x表示随机参数：
通过使用有限差分法和逐次超松弛迭代法联立求解雷诺方程：
弹性变形方程：
能量方程：
和温粘方程：
可得到油膜的压力分布，如图2所示，其中轴承油膜厚度为：
h＝c(1+εcos(θ))+δ
已知滑动轴承油膜压力情况后，采用矩形积分公式，分别对压力垂直方向和水平方向分量进行积分，得到承载力水平分力Fζ和垂直分力Fη：
Fζ＝-∫0 B∫0 2πpsinθdθdz
Fη＝-∫0 B∫0 2πpcosθdθdz
承载力分量Fζ和Fη可通过数值计算：
油膜承载力和偏位角为：
进一步地，本发明对滑动轴承进行可靠性优化设计的主要步骤如下：
步骤一、确定随机参数的分布
| 随机参数 | 分布类型 | 均值 | 变异系数 |
| 轴承宽度B(mm) | 正态分布 | [20，30] | 0.005 |
| 轴承半径R(mm) | 正态分布 | [12，13] | 0.005 |
| 半径间隙C(mm) | 正态分布 | [0.015，0.025] | 0.005 |
| 转速n(r·min-1) | 正态分布 | 8000 | 0.03 |
| 初始粘度η0(Pa·s) | 正态分布 | 9.66×10-4 | 0.03 |
| 偏心率ε | 正态分布 | 0.8 | 0.03 |
步骤二、定义可靠性优化设计的数学模型
μ∈[μL，μU]
该问题的数学模型是润滑油膜的体积最小，约束是轴承承载力小于给定阈值的概率要小于0.05，其中极限状态函数为：
g(x)＝Fmax-F(x)
步骤三、采用SORA(Sequential Optimization and Reliability Assessment)求解上述可靠性约束优化问题：
SORA通过使用最小性能目标点(MPTP)将概率约束转换为等效的确定性约束。在每个周期，根据前一个周期的可靠性分析中得到的MPTP，通过移动设计变量来评估约束。在周期i，可靠性约束优化问题可近似为：
s.t.：g(μ-s(i))≥0
其中为i-1周期的MPTP点，可以通过下式求得：
其中G(u)为标准正态分布空间的极限状态函数，/>为标准正态分布空间到原空间的映射关系。
更进一步地，本发明还提供了实验案例如下：本发明的优势可通过以下仿真实验进一步说明：
1.优化结果
采用SORA求解轴承可靠性优化设计问题的结果如表2所示：
表2滑动轴承的设计结果
| 方法 | 设计点(mm) | 最小值 | 模型调用次数 |
| SORA | [20，12.36，0.015] | 6.1040×10-6 | 480 |
| PMA | [20，12.36，0.015] | 6.1041×10-6 | 3759 |
2.结果分析
结论1：由表2可知，本发明使用的SORA方法与经典的PMA方法的计算结果相同，证明了两个方法的准确性。
结论2：从表2还可以看出，SORA方法的模型调用次数为480，而PMA方法为3759，证明了SORA方法的高效性。
结论3：仿真数据表明，本专利提出的理论、方法能够准确、高效地对航空燃油泵滑动轴承进行可靠性优化设计。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，包括对轴承承载力的计算和对滑动轴承进行可靠性优化设计的主要步骤；
其中主要步骤包括：
步骤一、确定随机参数的分布；
步骤二、定义可靠性优化设计的数学模型；
步骤三、采用SORA求解上述可靠性约束优化问题。
2.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述轴承承载力的计算方程包括雷诺方程：
3.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述轴承承载力的计算方程还包括弹性变形方程：
4.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述轴承承载力的计算方程还包括能量方程：
5.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述轴承承载力的计算方程还包括温粘方程：
6.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述步骤二中定义可靠性优化设计的数学模型具体为：
s.t.：
μ∈[μL,μU]。
7.根据权利要求1所述的一种航空燃油泵滑动轴承的可靠性优化设计技术，其特征在于：所述步骤三中可靠性约束优化问题近似为：
s.t.：g(μ-s(i))≥0
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