基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法与流程

本发明属于装备连接系统可靠性正向设计等相关，尤其是涉及一种基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法。

背景技术：

1、在航天、航空、航发等领域的型号中，各部件之间普遍采用螺纹连接、铆接、焊接和粘胶连接等连接方式，螺纹连接以其连接刚性好、重量轻、结构简单、装拆方便等优点而被广泛采用，是目前发动机中采用的最主要的连接方式。例如航空发动机盘轴螺纹连接器，作为航空发动机的关键重要部件，且为限寿件，是航空发动机可靠性水平的重要影响因素。受发动机涡轮部件和高压压气机工作环境的影响，发动机盘轴螺纹连接器呈现应用工况复杂、服役环境严苛、承受载荷多变等特点，因此，紧固连接系统需具备良好的力学性能、高精度和高可靠性。由于螺纹连接器精度要求高、加工难度大，以及制造企业设备和制造过程能力限制等，逐渐成为各型号中的关键部件。而且随着整机结构越来越紧凑，强度越来越高，如何使螺纹连接更加可靠、更加精确，成为保证发动机等型号装备性能的关键。

2、在紧固连接系统的全寿命周期中，其所处复杂环境中的多种应力都将影响其可靠性，针对紧固连接系统历经环境剖面多应力、失效模式多样等特点，基于连接断裂、松动、连接件涂层脱落等典型故障，开展故障模式分析及故障诊断方法研究。考虑到当前螺纹连接件在设计时均采用耐高温设计、抗疲劳设计、防松设计等技术手段，传统基于安全系数法的设计很难精确进行复杂工况的应力-强度匹配性设计。为综合评估紧固连接系统的连接安全性，本发明提出螺纹连接的可靠性正向设计方法，从紧固件的角度构建了系统的可靠性模型和设计、评价方法，基于紧固连接系统在服役周期内的主要故障模式，以单一应力-强度干涉模型为基础，采用多失效模式竞争机制，开展紧固连接系统可靠性正向设计方法研究。该发明有助于实现对螺纹连接系统的可靠性正向设计，能够通过精确的过程控制保证其合适的可靠度水平。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，以针对传统基于安全系数法的设计很难精确进行复杂工况的应力-强度匹配性设计。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，包括以下步骤：

4、s1、紧固连接系统的故障模式和机理分析，获得紧固连接系统在每种故障模式下的应力和强度；

5、s2、利用步骤s1中的每种故障模式下的应力和强度，计算基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型；

6、s3、利用步骤s2中的基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型，在k-out-of-n模型下，计算基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型；

7、s4、通过基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型，建立联合概率分布函数，结合紧固连接系统可靠度设计指标，进行紧固连接系统正向设计。

8、进一步的，在步骤s2中的计算基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型，包括以下步骤：

9、s21、根据紧固连接系统在每种故障阶段的应力和强度，对应力和强度数据分别进行分布检验，确定出最终应力的分布和最终强度的分布；

10、s22、然后将最终应力的分布和最终强度的分布代入公式（1），计算基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型。

11、进一步的，所述公式（1）的表达式为：

12、（1）

13、当应力与强度均服从正态分布时，其概率密度函数分别如下：

14、；

15、；

16、在公式（1）中，定义，则随机变量服从均值和标准差分别为和的正态分布，此时的可靠度为：

17、（2）

18、当应力和强度都服从指数分布时，其概率密度函数分别为：

19、；

20、。

21、此时r的可靠度为：

22、（3）

23、其中，为单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠度，为应力，为强度，和分别为应力和强度的概率密度函数，且与相互独立。

24、进一步的，在步骤s3中的k-out-of-n模型为紧固连接系统的可靠性与螺纹连接件的可靠性间的关系。

25、进一步的，在步骤s3中的计算基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型，包括以下步骤：

26、s31、假设紧固连接系统由n个螺纹连接件组成，设定基于第m个失效模式下的第n个螺纹连接件的可靠度分别为；

27、s32、当n个螺纹连接件中有任意k个螺纹连接件失效时，则通过公式（4）表示第m个失效模式下的紧固连接系统可靠度；

28、s33、通过公式（4）、公式（5）得到基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型。

29、进一步的，所述公式（4）的表达式为：

30、（4）

31、其中，分别为基于第m个失效模式下的第n-k个螺纹连接件的可靠度，所述为第m个失效模式下的紧固连接系统可靠度。

32、进一步的，所述公式（5）的表达式为：

33、（5）

34、其中，分别为第m个失效模式下的紧固连接系统可靠度，为基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型。

35、进一步的，在步骤s33中，假设紧固连接系统的螺纹连接件受力平均分配，当已有k个螺纹连接件失效，此时原本分至n个螺纹连接件的应力被分至（n-k）个螺纹连接件，当应力与强度均服从正态分布时，则螺纹连接件的应力概率密度函数更新为，螺纹连接件的强度概率密度函数不变；

36、定义，则随机变量服从均值和标准差分别为和的正态分布，此时螺纹连接件的可靠度更新为：；

37、若紧固连接系统为系统，在剩余的（n-k）个螺纹连接件中任意1个螺纹连接件失效，紧固连接系统失效，则基于多竞争失效模式下的紧固连接系统可靠度为：

38、（6）

39、其中，为基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型。

40、相对于现有技术，本发明所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法具有以下优势：

41、本发明所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，本发明提出了从螺纹连接件出发，以应力-强度数据为基础，以k-out-of-n模型为架构，联合概率分布函数，结合可靠度设计指标，给出了基于多竞争失效模式下的紧固连接系统可靠性正向设计方法，解决了目前传统基于安全系数法的设计很难精确进行复杂工况的应力-强度匹配性设计的问题；本发明提出的方法计算简便，容易实现，且更加符合工程实际，方便工程技术人员掌握使用，方法科学，便于应用推广。

技术特征：

1.基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：在步骤s2中的计算基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：所述公式（1）的表达式为：

4.根据权利要求1所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：在步骤s3中的k-out-of-n模型为紧固连接系统的可靠性与螺纹连接件的可靠性间的关系。

5.根据权利要求4所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：在步骤s3中的计算基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：所述公式（4）的表达式为：

7.根据权利要求5所述的基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，其特征在于：所述公式（5）的表达式为：

技术总结
本发明提供了一种基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性正向设计方法，包括以下步骤：紧固连接系统的故障模式和机理分析；基于单一故障模式下的单个螺纹连接件可靠性模型；基于多竞争失效模式的紧固连接系统可靠性模型；连接系统正向设计。本发明有益效果：本发明提出从螺纹连接件出发，以应力‑强度数据为基础，以k‑out‑of‑n模型为架构，联合概率分布函数，结合可靠度设计指标，给出基于多竞争失效模式下的紧固连接系统可靠性正向设计方法，解决目前传统基于安全系数法的设计很难精确进行复杂工况的应力‑强度匹配性设计的问题；本方法计算简便，容易实现，且更加符合工程实际，方便工程技术人员掌握使用，方法科学，便于应用推广。

技术研发人员：许彦伟,沈超,焦光明,王宇宏,李文生,程全士,柳思成,刘燕,樊金桃
受保护的技术使用者：航天精工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12