柔性机构动态可靠性分析结果

机构的疲劳寿命问题与结构疲劳寿命问题相比,一般情况下认为前者的重要程度不及后者,因此机构疲劳寿命的研究还不是很深入。一方面由于机构的可维修性比结构要好,可以通过更换机构的零部件延长机构使用寿命;另一方面由于机构的其他可靠性问题比疲劳寿命问题更加突出,机构往往在还没有出现疲劳寿命问题之前就已经因为不满足其他可靠性要求而失效。但是随着设计制造水平的不断提高,机构的精度逐渐得到了保障。进行机构疲劳寿命可靠性研究对于发挥机构的潜在能力,完善机构设计理论和方法具有十分重要的意义,尤其对深空探测航天器的机构设计具有现实的指导意义。一些学者进行了机构疲劳寿命的探索性研究,取得了一部分有价值的研究成果,例如:贾少澎和冯元生探讨了平面四连杆弹性机构的疲劳可靠性^[182];李海燕、张宪民和彭惠青建立了柔顺机构的疲劳可靠性优化设计模型^[183,184]。

对于高循环的柔性机构,快变运动会产生周期性的动态应力,同时快变运动与慢变运动相耦合产生的动态应力在幅度和频率上存在很大的随机性,耦合动态应力一般为非对称应力谱。这种周期性耦合动态应力可能导致构件的疲劳破坏,其疲劳特性属于低应力、高循环的高周疲劳。这种形式的疲劳曲线可以表示为^[182]

σ^m_-1NN=σ^m_-1N0=C (3-56)

式中 σ_-1N——对应于应力循环为N的疲劳极限;

N——循环次数;

σ_-1——持久极限;

N₀——循环基数;

C、m——常数,可以查找材料手册得到。按照柔性多体系统动力学方法进行动态应力分析和计算,引入疲劳强度和有

限寿命设计思想,将动态应力作为疲劳应力谱,利用雨流法滤出动态应力循环,

按照下式折算为对称循环^[182]

σ_-1a=σ_ra+ψσ_m (3-57)

式中σ_-1a——折算后的对称循环应力幅;

σ_ra——非对称循环应力幅;(www.xing528.com)

σ_m——非对称循环平均应力;

ψ——折算系数,可以查相关材料手册得到。

采用累积损伤理论中的科汀-多伦修正线性累积损伤理论^[182],得到应力幅对应的破坏循环次数,即

式中 N_g——应力幅对应的破坏循环次数;

N₁——最大交变应力σ₁下对应的破坏循环次数;

α_i——交变应力σ_i下的百分数;

d——常数,可以通过试验得到。

通过柔性机构的仿真分析,获得疲劳寿命L的随机分布特性,一般情况下假设服从对数正态分布^[179,182],则

式中 μ_L——疲劳寿命的对数均值;

σ_L——疲劳寿命的对数标准差;

L₀——要求的疲劳寿命。