柔顺机构可靠性屈曲行为与抗疲劳效应机理及其贝叶斯健康早期退化预测

Compliant mechanisms is widely used in MEMS, aerospace, biomedical engineering fields. As a result of micro-nano scale effect, micro mechanism stability was difficult to control, the design parameters are difficult to determine, micro component reliability is difficult to predict the basic science problem. Topic using multi-body elastic dynamics method, explore the scale effect on steady characteristic influence mechanism; build the fusion matrix separation algorithm, steel, soft sound coupling block separation, using conflict analysis and the shortest path method of coupling matrix are sorted, completed the nonlinear decoupling; create material field - functional analysis method, to solve the robust design parameters and component reliability prediction; use uncertainty theory, exploration is based on interval analysis of non probabilistic static robust optimization model; according to the reliability theory, create a probabilistic and non-probabilistic hybrid dynamic robust reliability growth model and its design method; development model, verification and correction robust feedback compensation model. Research on design theory and method to eliminate or reduce the micro defect, reliability, robustness to achieve growth has the theory significance and the practical value.

柔顺机构广泛应用于微机电系统、航天、生物工程等尖端领域。由于微纳尺度效应的影响，传统宏观机构理论不能直接描述微米量级构件的失效行为，该类构件存在屈曲失稳机理不清、疲劳损伤隐蔽、健康退化状态难以早期诊断的瓶颈基础科学问题。本项目拟澄清可靠性屈曲行为与耐疲劳效应机理，探索微弱退化早期诊断理论的相关研究工作。首次采用非线性屈曲分析来探寻导致结构不稳定的临界荷载与功能失效行为支撑理论，通过施加静电激励振动疲劳载荷实验来澄清力电耦合小应变与疲劳损伤行为的因果关系，并重点求证微观疲劳损伤退化与随机过程多状态行为效应，揭露疲劳可控因子强耦合解耦机理，据此建立部分可观测多状态贝叶斯决策来实现健康早期退化快速诊断与预测的基础理论。本项目开展将为微纳构件可靠性增长及抗疲劳措施提供坚实的理论基础，并为大规模产业化应用扫清障碍。申请人团队在该领域已积累一定的研究经验和阶段性成果，具备实施和完成此研究的基础和条件。

研究和探索柔顺机构屈曲行为及疲劳损伤机理与健康诊断新方法是保障其长寿命、抗疲劳、高精度、安全与可靠的关键基础科学问题。本项目以建立面向柔顺机构的屈曲行为、疲劳损伤多状态随机过程与力电物理模型有机结合，在采用随机过程方法与物理疲劳损伤理论相结合的核心思路下，把柔顺机构疲劳损伤状态空间由二状态拓展到多状态，这一研究新思路拓宽了微观机械可靠性疲劳损伤健康诊断与预测的新视野。主要采用屈曲分析、裂纹分析、有限元法、Paris反推疲劳应力方法对直梁型柔性铰链展开断裂失效分析与机理探索；采用应力场强法、Paris寿命估算法对直梁型柔性铰形成裂纹前和裂纹后的疲劳寿命预测与失效状态早期诊断；采用全因子法、稳健优化设计方法对直梁型柔性铰链展开参数优化设计，进一步优化其性能，提高可靠性与稳健性，预防其断裂失效。通过本项目研究，认识澄清了存在尺度效应时微纳柔顺机构从稳定平衡过渡到不稳定平衡的临界载荷和失稳的屈曲行为因果关系，揭示了微观疲劳损伤退化与随机过程多状态联动效应；探索了微纳机构是否可以通用的基于多状态贝叶斯过程理论的疲劳健康状态快速诊断与预测模型与算法的通用基础理论，对柔顺机构运行可靠性、安全性和稳健性保障、大规模走上产业化道路具有重要意义。