3.2.1 柔性机构动态强度可靠性分析
一般情况下,强度可靠性是结构可靠性的研究内容。但是,由于柔性机构构件之间存在大范围的相对运动以及机构系统中各个柔性构件的耦合运动使得柔性机构的力学行为变得比结构更为复杂,因此对柔性机构进行强度分析比对一般结构进行强度分析有很大的特殊性。同时,由于耦合运动的影响,最大动态应力的出现位置和出现时刻有很大的不确定性。柔性构件的刚度较低,柔性变形较大,而且柔性构件的耦合振动频率如果与固有频率接近,产生谐振会加大变形。因此,柔性机构动态刚度可靠性和变形可靠性的研究对于保证机构运动品质有重要的意义。同样,柔性机构耗损型失效模式和机理也与结构有较大的不同,研究柔性机构寿命概率分析技术具有十分现实的意义。
柔性机构的动态强度可靠性分析问题应该充分考虑柔性机构的特点,在结构强度可靠性分析方法的基础上,通过柔性机构动态响应的随机过程分析,进一步研究动态强度可靠性分析方法。柔性机构的动态强度可靠性分析是进行可靠性优化设计必不可少的理论和方法,对实现柔性机构的可靠性优化设计具有应用价值。
现有的强度可靠性分析方法用于柔性机构的动态强度可靠性分析还需要进一步改进,现有的结构分析软件(如ANSYS等)用于柔性机构的动态强度可靠性分析有很大的局限性。现有的机构仿真分析软件(如ADAMS等)主要针对机构运动学分析、机构动力学分析和多柔体动力学分析。但是现有软件进行柔性机构动态应力分析的功能是很有限的,而且无法准确描述柔性机构运动的随机过程。
柔性机构动态强度失效模式主要有以下几种:由于动态应力过大,导致构件破坏;由于柔性构件耦合振动频率与固有频率接近,导致机构发生谐振;由于瞬时动态应力过大,导致构件产生不可恢复的塑性变形,引起机构运动参数劣化;由于疲劳、磨损导致机构运动参数劣化;由于柔性构件变形过大,导致机构发生干涉等。
在柔性机构运动时域T内,柔性机构广义动态强度可靠度Rs(t)的分析模型可以描述为
Rs(t)=P{X(t)∈Ω(t),t∈T} (3-16)
式中 X(t)——t时刻的广义动态强度参数;
Ω(t)——t时刻的许用区域。
通常情况下,如果不考虑环境因素(温度等因素)的影响,广义动态强度的许用区域Ω(t)为严平稳随机过程,其均值μΩ(t)=μΩ和方差σΩ(t)=σΩ不随时间而改变。因此,柔性机构广义动态强度可靠度Rs(t)的分析模型也可以表达为
Rs(t)=P{X(t)＜μΩ,t∈T} (3-17)
因此,只要确定广义动态强度参数随机过程X(t)的分布特性,即可求出柔性机构的广义动态强度的可靠度Rs(t)。