(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211048397.2 (22)申请日 2022.08.30 (71)申请人 沈阳航空航天大 学 地址 110136 辽宁省沈阳市沈北新区道义 南大街37号 (72)发明人 李铭　罗源　 (74)专利代理 机构 沈阳新科知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 21117 专利代理师 李晓光 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可 靠性预测方法 (57)摘要 本发明公开一种面向大型航空行星机构的 系统疲劳可靠性预测方法， 步骤为： 利用层级有 限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮 齿疲劳载荷历程， 获得载荷信息； 基于齿轮低周 疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出轮 齿概率疲劳强度曲线； 将载荷信息和轮齿概率疲 劳强度输入到可靠度预测模型中， 得到能够考虑 系统结构要素影 响的系统疲劳可靠性预测模型， 建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统 可靠性指标的映射路径。 本发明发挥了核心结构 要素的刚度潜力， 以平衡大型航空行星装备在可 靠性与轻量化要求之间的矛盾； 在系统级模型中 不需要执行详细的齿根应力计算， 同时提出了轮 齿概率疲劳强度转化方法， 以此节省了大量的仿 真与试验成本 。 权利要求书2页 说明书10页 附图6页 CN 115438543 A 2022.12.06 CN 115438543 A 1.一种面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征在于包括以下步 骤： 1)齿根应力计算： 利用层级有限元法计算系统全局弹性行为耦合作用下的轮齿疲劳载 荷历程， 获得 载荷信息， 为可靠性预测模型提供 载荷输入变量； 2)齿轮概率疲劳强度拟合： 基于齿轮低周疲劳试验与最小次序统计量转化方法拟合出 轮齿概率疲劳强度曲线， 为系统可靠性预测模型提供 经济有效的强度输入变量； 3)建立零件疲劳可靠度计算模型： 建立从大型航空行星机构关键结构要素到系统可靠 性指标的映射路径， 提出 可靠性驱动的行星机构结构尺寸多目标优化设计方法； 4)将载荷信 息和轮齿概率疲劳强度输入到可靠度 预测模型中， 得到能够考虑系统结构 要素影响的系统疲劳可靠性预测模型。 2.根据权利要求1所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤1)中齿根应力计算包括： 101)系统级弹性力学行为仿真建模： 利用半解析有限元技术构建大型航空行星机构的 系统级弹性力学仿真模型， 评估系统中大型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合错位 量， 为齿根应力分析次级子模型提供详细的载荷与位移边界条件； 102)构建齿根应力分析次级子模型： 基于通用有限元法建立高保真度的齿根应力分析 次级子模 型， 在系统级模型中， 通过准静态静力学分析得到齿面上的时变载荷线， 将其加载 到齿根应力分析次级子模型的齿面上作为载荷边界条件； 同时将系统弹性变形结果提取出 来， 加载到齿根应力分析子模型中作为 位移边界条件。 3.根据权利要求2所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤101)评估系统中大 型薄壁件的弹性变形量及轮齿之间的啮合 错位量为： 利用RotationMaster软件平台的容差搜索技术筛选出构件连接节点组， 并联合调节搜 索准则与选择 方式等控制参 量， 建立有限元构件的节点刚性连接； 将系统中的有限元模型进行缩聚， 以提取相应的质量和刚度矩阵， 同时， 以变形平滑度 作为评价指标， 借助缩聚节点之间的荷载传递行为 来检验各个刚度矩阵的性能； 在系统模型上施加载荷边界条件， 并对其执行准静态弹性力学行为全局运算， 获得各 个弹性构件的节点 位移响应及齿面时变载荷线结果。 4.根据权利要求2所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤102)中的齿根应力分析次级子模 型采用一阶六面体单元， 通过RM软件平台推荐的 自适应网格密度， 以准确捕捉齿根部位陡峭的应力梯度， 使齿根应力 分析次级子模型计算 在有效的预定迭代次数内收敛。 5.根据权利要求1所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤2)齿轮概 率疲劳强度拟合包括以下 方法： 201)齿轮弯曲疲劳试验： 利用功率流封闭式齿轮旋转试验机进行齿轮弯曲疲劳加速寿 命试验， 为大 型航空行星系统疲劳可靠性预测模型提供强度信息； 202)轮齿概率强度拟合： 将齿根应力峰值作为应力等级 的评定指标， 采用成组法分别 在多个应力等级下进行齿根弯曲疲劳性能测试， 获得的直接数据为齿轮寿命， 通过基于齿 轮寿命数据来拟合轮齿P ‑S‑N曲线的概率统计转化方法获取可靠性预测模型的直接的强度 输入变量。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115438543 A 26.根据权利要求1所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤3)建立 零件疲劳可靠度计算模型包括： 301)建立零件疲劳可靠度计算的条件概率期望值算法： 将传统的载荷 ‑强度干涉分析 方法进行拓展， 建立基于应力水平的概率分布和指 定应力水平下的寿命分布计算零件疲劳 可靠度的条件概 率期望值 算法； 302)考虑失效相关性的串联系统疲劳可靠性评估模型： 在确定性载荷作用下系统中各 零件的失效相互独立， 串联系统的条件可靠度等于各零件条件可靠度的乘积； 在系统层面 上考虑载荷的不确定性效应， 建立串联系统疲劳可靠性评估模型， 假设该模型载荷服从正 态分布， 并通过正态分布与标准正态分布之间的数学关系变换来 实现各个零件的载荷 归一 化， 从而在系统层面上考虑了载荷不确定性效应的影响； 303)考虑行星系统时序性特征的可靠性模型结构优化： 根据行星轮系的周期性运转规 律推导行星传动运动学方程， 同时系统中各类齿轮在相同时间间隔内的单齿啮合次数被获 取， 为系统疲劳可靠性评估 模型匹配时序性特 征属性。 7.根据权利要求6所述的面向大型航空行星机构的系统疲劳可靠性预测方法， 其特征 在于步骤302)中， 对于一次载荷作用下的零件静强度失效问题， 将可靠度看作应力的函数， 并建立指定应力下 的条件可靠度模型； 对于疲劳可靠性问题， 构造出基于寿命分布计算零 件疲劳可靠度的数 学表达形式， 直接计算随机恒幅循环载荷下的零件疲劳可靠度指标。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115438543 A 3