机械产品可靠性设计分析案例

案例教学机械产品可靠性设计分析7/4/20231某锁机构可靠性设计分析某锁机构产品说明某锁机构FMEA分析某锁机构FTA分析了解强度分析仿真了解动力学分析仿真了解可靠性分析仿真7/4/20232锥杆式概述7/4/20233概述锥杆式7/4/20234概述锥杆式7/4/20235概述周边外翻式7/4/20236概述周边内翻式7/4/20237产品说明某锁结构示意图7/4/20238单锁运动仿真7/4/20239锁系运动仿真7/4/202310某锁机构FMEA分析某锁机构FMEA实施

对接锁系功能分析故障判据对接锁系故障模式分析严酷度定义危害性定性分析

FMECA输出I、II类故障模式(零件)清单危害性矩阵

7/4/202311某锁机构FMEA分析图1主动钩组件结构功能图

7/4/202312某锁机构FMEA分析某锁机构〔正常〕对接阶段功能流程图7/4/202313某锁机构FMEA分析故障判据在正常的设计、使用、维护和环境条件下，但凡满足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系统故障。寿命期内某锁系自身引起的故障〔不含人为故障〕均计为影响系统根本可靠性的关联故障；在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障计为影响任务的关联故障。零件级产品故障判据组件级产品故障判据部件级产品故障判据7/4/202314某锁机构FMEA分析表

14对接锁系故障严酷度的定义严酷度类别严重程度定义Ⅰ类(灾难的)这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤亡的故障。Ⅱ类(致命的)这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本功能或影响航天员健康的故障。Ⅲ类(临界的)这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康有些影响。Ⅳ类(轻度的)这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影响产品有效使用和操作。严酷度定义7/4/202315某锁机构FMEA分析对接锁系故障模式发生概率等级定义等级定义故障模式发生概率的特征故障模式发生概率（在产品使用时间内）A经常发生高概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的20%B有时发生中等概率某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%，小于20%C偶然发生不常发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%，小于10%D很少发生不大可能发生某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的0.1%，小于1%E极少发生近乎为零某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的0.1%危害性定性分析7/4/202316某锁机构FMEA分析FMEA输出I、II类故障模式(零件)清单7/4/202317某锁机构FTA分析顶事件的选择和描述故障树的建造故障树的定性分析故障树分析的结果和建议7/4/202318某锁机构FTA分析某锁机构顶事件的选择和描述序号顶事件定义说明1不同步是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性要求2锁紧失败是指在主、被动航天器对接过程中，锁系正常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里对控制系统、转换装置的可靠性不进行展开分析）3锁紧保持失败是指在主、被动航天器在联合飞行期间，主、被动锁系结构无法保持结构完整性。7/4/202319某锁机构FTA分析故障树的建造锁紧失败故障树7/4/202320某锁机构FTA分析故障树定性分析锁紧失败故障树的最小割集7/4/202321某锁机构FTA分析故障树定性分析底事件清单7/4/202322某锁机构FTA分析故障树分析的结果和建议7/4/202323强度分析仿真输入条件功能分析材料属性工作环境载荷分析计算输出结果零件静强度分析计算组合件整体分析计算零件、组件比照分析7/4/202324强度分析仿真材料属性7/4/202325载荷分析计算某锁载荷、约束示意图7/4/202326传力路线分析主动钩组件传力路线7/4/202327锁系静强度分析计算零件的应力变形云图零件承载能力分析组件的应力变形云图零件、组件计算结果比照分析7/4/202328零件计算例如主动锁钩常温下的应力变形云图7/4/202329零件计算结果7/4/202330动力学分析仿真由于多柔体动力学分析仿真计算量要远远高于刚性体动力学分析，为了仿真效率，采用了双Xeon核心处理器的工作站进行计算，仿真计算环境如下：〔1〕软件环境操作系统：windows2000serversp4仿真软件：MSC.adams2005r2〔2〕硬件环境处理器：双XeonP42.8GHz处理器物理内存：KingstonEccReg奇偶校验工作站专用内存4×1G储存介质：双SataII80G×2组raid0磁盘阵列为了充分利用系统资源，采用了多线程处理技术来提高仿真速度，利用外部单独的adamssolver求解模块进行多线程计算。仿真时间：16916.78cpuseconds〔约4.7小时〕7/4/202331动力学分析仿真单组锁动力学模型〔含柔性绳索，显示了全部的约束和碰撞关系〕7/4/202332动力学分析仿真绳轮驱动力矩vs偏心轴转角7/4/202333动力学分析仿真锁系锁紧前期的绳轮转角vs时间7/4/202334动力学分析仿真被动锁碟簧力vs偏心轴转角性能试验数据低温-50℃7/4/202335动力学分析仿真滑轮、绳轮与钢丝绳索之间的空间摩擦特性对同步性影响较大；钢丝绳索和碟簧的预紧力对锁系同步性影响较大；碟簧的阻尼系数对锁系动力学响应的稳定性影响较大；电机驱动力矩曲线对锁系同步性较大；按照理论模型优化结果，设置递增预紧力，滞后最严重的不一定是最后一把单锁，锁系各单锁之间存在一个动态平衡过程，该过程受多种因素影响，主要有摩擦系数以及刚性阻尼系数等。7/4/202336动力学分析仿真动力学仿真分析总结：通过仿真模拟了对接、拉紧保持和解锁三个运动阶段，得到的结果和试验数据比较吻合。建立了空间三维载荷环境，给出了对接锁中各重要零部件的运动参数及受力情况，并且充分考虑了碰撞摩擦力、运动副摩擦力、碰撞作用力等对运动过程影响较大的关键参数。实现了离散化多柔体动力学仿真，解决了柔性绳