考虑间隙不确定性参数的机构系统动力学分析与可靠性研究

Clearance in joints is one of the main factors that cause the performance and reliability decline of the high-precision and high-reliability mechanical system. The uncertainty of parameters in clearance joint is an unavoidable problem in dynamics analysis and reliability prediction, such as the uncertainty of clearance size, contact stiffness and damping in clearance, the friction and wear and son on. The increasing of the scale and number of uncertain parameters in clearance will lead to the larger error based on the determinism theory. For mechanism with uncertainty of parameters in clearance joint, the effects of uncertainty parameters on dynamics and reliability of mechanism are studied. The main contents are including: 1) The parameters in clearance are considered as interval variation and the dynamics model of flexible multibody system is established considering uncertainty interval parameters in clearance. 2) The influence principle on dynamics characteristics of mechanism are analyzed for different parameter interval states of the mechanism. 3) The dynamic non-probability reliability model is established considering the performance deterioration using interval analysis method. 4) The effects of interval range of clearance parameters on the reliability of mechanism are studied. Finally, the dynamics and reliability computational theory framework is established for flexible mechanism considering uncertainty of clearance.This research provides significant meaning for improving the performance and reliability of mechanical system. Besides, the research achievement is universal and extensible.

运动副间隙是引起高精度和高可靠性机构系统性能和可靠性下降的主要因素之一，而间隙尺寸、间隙碰撞刚度、阻尼以及摩擦磨损等参数的不确定性是含间隙机构动力学分析与可靠性预测中不可回避的问题，间隙不确定参数变化尺度以及数量的增大，将导致以确定性理论为基础分析结果产生较大的误差。本项目以考虑间隙不确定性参数的卫星天线驱动机构为对象，研究间隙不确定参数对机构动力学与可靠性的影响。主要包括：1)考虑运动副间隙不确定性参数为区间变量，建立考虑间隙不确定性区间参数的柔性多体系统动力学模型；2)系统分析不同参数区间状态对机构动态性能的影响机制；3)基于区间分析方法建立考虑系统性能退化的动态非概率可靠性模型；4)研究间隙参数不确定区间域对机构动态性能可靠性的影响规律。最终建立完整的考虑间隙不确定性的机构系统柔性多体动力学分析与可靠性计算理论框架，该项研究对提高机械设备系统的性能与质量可靠性具有十分重要的意义。

运动副间隙是引起高精度和高可靠机构系统性能和可靠性下降的主要因素之一，实际机构系统动力学模型中包含了结构参数、材料参数、间隙模型等大量的不确定性参数，不确定性是含间隙机构动力学分析与可靠性预测中不可回避的问题。本项目以高精度、高稳定性以及高可靠性机械系统为背景，研究考虑参数不确定性的含间隙机构动力学与非概率可靠性的关键基础问题。首先，将间隙运动副等效为约束力副，并结合柔性多体系统动力学理论，建立了含间隙机构确定性动力学模型，在此基础上，考虑系统参数的不确定性，将不确定性参数描述为区间变量，建立了考虑区间参数的柔性多体系统不确定动力学模型。进而，采用切比雪夫扩张函数作为区间算法，建立了基于切比雪夫扩张函数求解含区间变量的柔性多体系统不确定动力学方程的求解策略。进一步分别考虑结构参数、材料参数、间隙尺寸以及间隙模型参数为不确定区间参数，详细的研究了不同区间参数对含间隙机构动态性能的影响机制。在此基础上，基于非概率可靠性建模方法，考虑含间隙机构运动精度和运动稳定性问题，分别建立了四种非概率可靠性模型的状态函数，并建立与之对应的非概率可靠性指标，结合切比雪夫区间算法，对四种非概率可靠性模型进行分析，并与Monte Carlo方法进行比较，研究了四种模型的特点。进一步研究了不同区间变量对含间隙机构运动精度与运动稳定性非概率可靠性指标的影响规律，并建立了非概率可靠性灵敏度分析方法，研究了不同区间参数对含间隙机构可靠性的影响程度。最后，开展了含间隙机构地面实验研究，验证了理论模型和理论研究成果的正确性。此外，对项目相关内容进行了适当的拓展和应用研究，研究了考虑区间不确定性传播的含间隙机构动力学建模与数值求解策略，并研究了考虑铰链间隙以及三维转动副间隙的航天机构动力学特性。本项目研究成果具有普适性和可推广性，为机械设备系统的动态性能分析与可靠性评估提供科学的理论和方法。