机械轴类产品的结构相似性与服役状态预测方法研究

Nowadays, since the obstacle in life prognostication of product is the complicated structure and multiple loading, with giving the definition of functional structures (FS), the performance prognostication method for mechanical shaft product is studied based on structural similarity. With identifying the mechanical shaft product into a serial of functional structures, such as journal structure, keyway structure, spline structure, it the prognostication model is the problem with several single loading and simple structure, rather than the multi-loading and complex structure. With the bench testing experiment is taken for the sample of standard functional structures, the evolvement curve is studied with support vector machine and finite element methods, as well as the performance evolving and prognostication model of functional structures is established. Informed by similarity theory, analyzing similarity function between the standard functional structure and real structure, the prognosticating performance model of real structure is obtained by the similarity correction function. Thus, the performance prognostication method for mechanical shaft product is established with structural similarity. Finally, the bench testing and industrial applications of several mechanical products, such as automobile and machine-tool, are carried to modify this proposed method and validate its effectiveness and practicality.

针对多负载环境下复杂结构寿命预测的难点，引入功能结构的概念，提出基于结构相似度的轴类产品服役状态预测方法。通过将轴类部件划分为不同的具体功能结构,如轴颈结构、键槽结构、花键结构等，构建面向服役性能的机械轴类产品功能结构模型,实现多负载环境下复杂结构问题转变为多个单负载下简单结构分析问题。在所提出标准功能结构件台架实验的基础上，通过支持矢量机等数据处理方法及有限元方法分析标准结构件服役状态演化规律，建立功能结构服役性能演化及预测模型。引用相似性理论，量化描述具体结构与标准功能结构件的相似性测度函数，在此基础上构建二者之间的服役性能演化相似性修正函数，提出基于结构相似性的轴类部件服役性能预测模型。最后结合汽车及机床等典型机械产品及装备，通过对其轴类产品的台架试验和工程应用完善所提出的状态预测方法及模型，并验证其有效性和实用性。

在国家自然科学基金青年科学基金项目资助下，项目组基于相关企业及文献调研，搭建了机械功能结构服役状态监测实验平台，在此基础上，开展并完成了面向服役性能的机械轴类部件功能结构模型研究、功能结构衍生函数模型分析、基于相似性的功能结构服役状态分析方法以及典型机械轴类产品的功能结构分析与实验，为机械产品结构优化设计与服役状态分析预测技术奠定了理论与方法基础。其主要研究成果为：（1）基于服役加载实验台架设备及状态监测技术，搭建了发动机曲轴服役状态监测实验平台；（2）通过产品功能结构研究，提出冗余强度的概念，构建了面向服役性能的轴类部件功能机构模型；（3）结合台架及仿真实验数据，分析零件功能结构之间耦合关系，建立了功能结构的耦合函数及其衍生模型；（4）基于结构相似性理论，构建相似结构服役性能之间的量化映射关系，提出了基于结构相似性的功能结构服役状态分析方法；（5）针对典型机械产品的轴类部件（发动机曲轴及离心压缩机转子叶片），量化分析其各自功能结构与服役性能的映射关系，建立了发动机曲轴连杆轴颈结构衍生模型与离心压缩机转子叶片功能结构模型。