工业机器人伺服系统可靠性仿真试验规范(T-GDCKCJH 014—2020).pdf

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1、ICS 03.120L 05团体标准T/GDCKCJH 0142020工业机器人伺服系统可靠性仿真试验规范The Reliability Simulation Guide of Servo System for Industry Robot2020-04-28 发布2020-05-15 实施广东省测量控制技术与装备应用促进会发 布T/GDCKCJH 0142020I目次前言.II1范围.12规范性引用文件.13术语、定义和缩略语.14一般要求.25试验要求.5附录 A（规范性附录）基于故障物理的应力损失分析软件要求.14附录 B（规范性附录）应力损伤数据分析与可靠性评估软件功能要求.16附录

2、C（资料性附录）故障聚类方法.18T/GDCKCJH 0142020II前言本标准按照GB/T 1.1-2009标准化工作导则-第1部分:标准的结构和编写给出的规则起草。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会提出。本标准由广东省测量控制技术与装备应用促进会归口。本标准起草单位：工业和信息化部电子第五研究所、华南理工大学、广州慧谷动力科技有限公司、广州智能装备研究院有限公司、佛山赛宝信息产业技术研究院有限公司。本标准主要起草人：黄创绵、罗琴、李丹、尚斌、胡湘洪、王春辉、时钟、李劲、杨剑锋、刘文威、邝志礼、王忠、刘桂雄、邱森宝、党明、成克强、黄强、石雄毅、刘佳。本标准为首次发布。T/GDCKC

3、JH 01420201工业机器人伺服系统可靠性仿真试验规范1范围本标准规定了工业机器人伺服系统电子设备可靠性仿真试验的术语和定义、一般要求、试验要求。本标准适用于工业机器人伺服系统（以下简称伺服系统）可靠性仿真试验。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2422-2020电工电子产品环境试验术语GB/T 2900.99-2016 电工术语 可信性GB/T 12643-2013 工业机器人 词汇GJB 451A-2005 可靠性维修性保障性术语GJB8

4、99-1990 可靠性鉴定和验收试验3术语和定义GB/T 2422-2020、GB/T 2900.99-2016、GB/T 12643-2013、GJB451A 确立的，以及下列术语和定义适用于本文件。3.1可靠性仿真试验Reliability Simulation Test,RST基于故障物理方法，采用建模与仿真手段对设备的可靠性进行的分析和评估。3.2故障物理Physic of Failure,PoF确定和了解退化和引起最终失效的物理过程（或机理）。3.3故障物理模型Physic of Failure Models故障物理学中针对某一特定的故障机理，在基本物理、化学、电学公式和（或）试验回

5、归公式的基础上，建立起来的定量地反映故障发生（或发生时间）与材料、结构、应力等关系的数学函数模型（或称失效物理模型）。3.4故障信息矩阵Failures Data MatrixT/GDCKCJH 01420202可靠性仿真试验中，由应力损伤分析所输出的设备中各潜在故障点及其故障模式、故障机理、故障时间所组成的数据矩阵。3.5可靠性仿真试验数字样机Reliability Simulation Test Digital Prototype用于可靠性仿真试验的，反映设备某种或某几种设计特性的数字模型。可靠性仿真数字样机包括CAD 数字样机、CFD 数字样机、FEM 数字样机。本标准中简称数字样机。3

6、.6CAD 数字样机CAD Digital Prototype是使用计算机辅助设计软件建立的描述设备几何特征和材料属性的三维数字模型。3.7CFD 数字样机CFD Digital Prototype采用计算流体力学软件建立的描述设备热特性的数值模型。3.8FEA 数字样机FEA Digital Prototype采用有限元方法建立的描述设备力学特性的数值模型。3.9潜在故障点Potential Failure Site可靠性仿真试验中，设备可能发生故障的部位、零部件或元器件等。310故障预计Failure Prediction,FP基于故障物理方法分析潜在故障点在给定应力条件下发生故障的模式、

7、机理和时间（或时间分布）。3.1缩略语下列缩略语适用于本规范CADComputerAided Design 计算机辅助设计CFDComputational Fluid Dynamics 计算流体力学FEAFinite Element Analysis 有限元分析FMMEA Failure Modes and Mechanisms and Effect Analysis 故障模式、故障机理及其影响分析4一般要求4.1开展可靠性仿真试验的软硬件条件要求4.1.1软件要求T/GDCKCJH 01420203a)CFD 通用软件及与常用 CAD 软件（包括但不限于 CAITIA，PRO-E，UG NX

8、）和常用 FEA 软件（包括且不限于 MSC.PATRAN，ABAQUS，HYPERMESH）的接口模块；b)FEA 通用软件及与常用 CAD 软件（包括但不限于 FLOTHERM，ICPACK，UG NX）和常用CFD 软件（包括且不限于 FLOTHERM）的接口模块；c)基于故障物理的应力损伤分析软件，软件主要功能要求见附件 A；d)应力损伤数据分析与可靠性评估软件，软件主要功能要求见附件 B；e)适用于故障物理分析的电子元器件数据库和材料数据库。4.1.2硬件要求a)运行通用 CFD、FEA 软件的高性能工作站或计算服务器；b)高安全、大容量的数据存储服务器；c)高性能终端计算机。4.2

9、可靠性仿真试验的组织和管理要求可靠性仿真试验工作应贯彻于伺服系统研制的全过程，并成立包括总师单位、承试方和承制方在内的可靠性仿真试验组织机构，由其负责组织和开展相关工作。总师单位的职责是负责可靠性仿真试验过程中的总体协调、确定试验环境条件，与其它两方一起并根据伺服系统研制进度要求，对研制各阶段的可靠性仿真试验工作进行监督与检查。承试方的职责是负责提供可靠性仿真试验所需的各种信息、软硬件、测试仪器、试验设备等，并与承制方协同完成可靠性仿真试验工作，且主要负责可靠性仿真试验实施和试验报告编写。承制方的职责是提供各种可靠性仿真试验所需的设计信息、数字样机、测试仪器等，并与承试方协同完成可靠性仿真试验

10、工作，且主要负责可靠性仿真试验过程中的可靠性分析和改进工作。4.3可靠性仿真试验大纲和程序4.3.1可靠性仿真试验大纲承制方或承试方应对每一项试验制定相应的试验大纲，为可靠性仿真试验的实施提供依据。4.3.2可靠性仿真试验程序在可靠性仿真试验大纲批准后，承制方或承试方应对每一项试验制定相应的试验程序，以保证可靠性仿真试验的实施。4.4试验环境条件应根据受试伺服系统现场使用和任务环境特征确定可靠性仿真试验的试验环境条件。4.4.1试验条件确定准则可靠性仿真试验的环境条件类同于可靠性验证实验的环境条件，虚拟施加受试伺服系统在使用中经历的主要应力，确定应力的优先次序如下：a)实测应力根据伺服系统在实

11、际使用中执行典型任务剖面时，在其安装位置测得的数据，经过分析处理后确定的应力；b)估计应力根据处于相似位置，具有相似用途的伺服系统在执行相似任务剖面时测得的数据，经过分析处理后T/GDCKCJH 01420204确定的应力。只有在无法得到实测应力的情况下方可使用估计应力。c)参考应力GJB 899 中给出的应力或提供的数据、公式和方法导出的应力。只有在无法得到实测应力或估计应力的情况下方可使用参考应力。4.4.2试验环境条件若订购方无其他规定，则应分别施加以下规定的应力，并最终将各种应力的累积损伤叠加在一起。电应力包括伺服系统的通断电循环、规定的工作模式及其功率损耗和工作周期。4.4.2.1振

12、动应力振动应力量值和剖面应按伺服系统的现场使用类别、安装位置和预期的使用情况确定。在确定实际振动应力时，至少应考虑以下因素：a)振动类型（定频正弦、正弦扫描或随机）；b)频率范围；c)振动量值；d)施加振动的方向和方式；e)持续时间；f)考虑上述因素的目的，是要使伺服系统所产生的振动响应，在振动特性、量值大小、频率范围和持续时间的方面，均类似于现场使用环境和任务剖面条件下的振动响应。4.4.2.2温度应力温度应力剖面应统计性地反映伺服系统在使用中经历的实际环境。确定温度应力时，至少应考虑以下因素：a)工作温度（范围、变化率和变化频率）；b)每一任务剖面中的温度循环次数；c)冷却气流（速度和波动

13、）。4.5数字样机要求数字样机应与设计状态保持一致，并尽量真实地体现相关的设计特性。数字样机应采用本标准所规定的软件建立，并符合 5.2.2、5.2.3、5.2.4 条的要求。4.6可靠性仿真试验与设计改进可靠性仿真试验所发现的设计可靠性薄弱环节应及时反馈给承制方，以指导设计改进。承制方在更改设计后应更新数字样机，必要时应对数字样机重新进行评审。更新后的数字样机应再次进行可靠性仿真试验。以此循环迭代直至伺服系统的可靠性水平达到规定的要求。5试验要求5.1试验大纲、程序及其评审5.1.1试验大纲承制方或承试方应制定可靠性仿真试验大纲，以保证可靠性仿真试验的顺利实施。大纲包括以下内容：T/GDCK

14、CJH 01420205a)试验的对象；b)试验的目的和进度；c)数字样机应具备的条件；d)试验环境条件；e)其它项目。5.1.2试验程序5.1.2.1说明可靠性仿真试验流程用于具体指导可靠性仿真试验计划的实施，详细说明可靠性仿真试验中的工作项目和要求。可靠性仿真试验流程供订购方用来作为审查和批准承制方进行可靠性仿真试验的程序、监督试验和评价试验结果的依据。5.1.2.2一般流程可靠性仿真试验实施的一般流程见图 1。包括以下工作项目：a)数字样机导入；b)应力施加；1)热应力施加；2)振动应力施加；c)故障预计；d)可靠性评估。图 1 可靠性仿真试验一般流程5.1.2.3编写要求可靠性仿真试验

15、程序应符合本标准规定的要求，并应包括以下内容：a)受试伺服系统组成单元的清单及其简要说明，最近的技术状态（包括获准的更改、偏离、超差的图样目录）；b)要用到的计算机软硬件，包括其生产厂商、型号或版本；c)数字样机说明，包括版本、测试和评审结果、最近的技术状态（如前期的仿真试验情况、设计更改情况和数字样机更新情况）；d)试验环境条件；e)试验所包含的工作项目；T/GDCKCJH 01420206f)试验期间要记录的中间数据；g)试验期间试验日志的格式；h)试验期间与承制方的信息交换节点设置；i)试验期间发现可靠性薄弱环节时的处理方法；j)设计改进并更新数字样机后重新试验的规定；k)试验结束的条件

16、；l)试验结果评审。试验程序中应包括承制方所建议的试验记录格式，并在整个试验过程中加以妥善保管：a)试验中间数据试验中间数据包括应力施加结果、故障预计结果、故障数据分析和可靠性评估结果。应按试验程序的要求保存相应的中间数据，并在整个试验过程中妥善保管。试验中间数据必须标明软件名称和版本、数字样机版本和试验环境条件。b)试验日志试验日志应记录试验过程中各工作项目所作的软件设定，并简要说明结果。c)发现问题报告发现问题报告用于向承制方提交试验期间发现的可靠性薄弱环节，至少应包括数字样机版本、问题部位、现象描述、引发应力、故障机理和影响评估。5.1.3评审应对可靠性仿真试验的数字样机和试验结果进行评

17、审。5.1.3.1数字样机评审为了保证可靠性仿真试验的顺利进行和结果的准确性，试验前应对数字样机进行测试和评审，以确定数字样机是否正确和准确。数字样机应符合本标准 5.2.2、5.2.3、5.2.4 条的要求。试验期间若进行了设计更改，则视更改的程度，必要情况下应重新对数字样机进行评审。5.1.3.2试验结果评审为了保证可靠性仿真试验结果的准确性，试验后应对试验结果进行评审。评审的资料包括：a)可靠性仿真试验报告；b)数字样机评审意见；c)试验中间数据；d)试验日志；e)发现问题报告；f)设计更改措施及其分析报告。5.1.4可靠性仿真试验报告可靠性仿真试验报告至少应当包含以下内容：a)试验目的

18、；b)试验依据；c)试验地点、日期和参试人员；d)受试产品说明；e)数字样机说明；f)试验项目及顺序；T/GDCKCJH 01420207g)试验采用的软、硬件说明；h)试验条件；i)试验实施过程；j)试验数据及分析；k)试验结果或结论（含可靠性薄弱环节说明、可靠性仿真评估结果等）。5.2数字样机要求5.2.1数字样机组成可靠性仿真试验数字样机是由 CAD 数字样机、CFD 数字样机、FEM 数字样机组成。5.2.2CAD 数字样机要求5.2.2.1软件要求推荐但不局限于采用下列软件中的一种建立 CAD 数字样机：a)CAITIAb)PRO-Ec)UG NX5.2.2.2版本和更新记录要求CA

19、D 数字样机应当明确标注版本号并提供更新说明。a)版本号版本号的命名遵循如下规则：X-AAA-BBB1)X 为 C、S、D，分别代表初样阶段、正样阶段和鉴定阶段；2)AAA 为设计状态编号，与某一设计状态相对应；3)BBB 为设置状态编号，与软件中的某一属性设置状态相对应。b)更新记录更新记录中应当逐条说明当前版本对前一版本的更改情况。5.2.2.3样机细节要求a)输入信息1)装配件：数据包括该装配中各结构的装配关系、连接关系。需要的设计文件包括该装配件的装配图、细目表。2)结构件：数据包括该结构件的几何形状、尺寸及材料。需要的设计文件是该结构件的零件图。3)电子模块：包括整个电子模块的所有组

20、成部分。需要的设计文件是该电子模块的装配图（包括元器件位置）、冷板结构图、元器件清单和元器件位号表。4)PCB 板：数据包括 PCB 板的形状、厚度和重量。需要的设计文件是 PCB 设计文件。5)元器件：数据包括元器件的外形尺寸和重量。需要的文件是元器件说明书。b)几何结构1)必须保证数字样机几何与结构的完整；2)在不影响后续分析的情况下应尽量简化 CAD 数字样机：PCB 板：在保证 PCB 板的重量和面积相等的情况下，PCB 板可看作单层结构并简化成单一材料。T/GDCKCJH 01420208元器件：在保证元器件的重量、体积相等的情况下，元器件可看成是各部分材料均匀分布的实体，省略其管脚

21、。在装配在 PCB 板上时，元器件的中心位置、安装角度以及位于 PCB板的正反面应与实际情况一致。元器件贴装在 PCB 板上。焊点：不需要建立焊点。通孔：不需要建立通孔。有连接件的连接方式：需要建立连接件的模型并正确地装配在相应位置，例如螺栓连接、铆接等。无连接件的连接方式：不需要在 CAD 模型中反映这类连接关系，例如：焊接、胶接等。其它情况：在有相关标准规定的简化情况下按规定简化，否则不做简化处理。属性设置需要逐一设置各组成零部件、元器件的材料牌号；5.2.3CFD 数字样机要求5.2.3.1软件要求推荐但不局限于下列软件中的一种建立 CFD 数字样机：a)FLOTHERMb)ICPACK

22、c)UG NX5.2.3.2版本和更新记录要求CFD 数字样机应当明确标注版本号并提供更新说明。a)版本号版本号的命名遵循如下规则：X-AAA-BBB1)X 为 C、S、D，分别代表初样阶段、正样阶段和鉴定阶段；2)AAA 为设计状态编号，与某一设计状态相对应，与 CAD 数字样机相同；3)BBB 为设置状态编号，与软件中的某一属性设置状态相对应。b)更新记录更新记录中应当逐条说明当前版本对前一版本的更改情况。5.2.3.3细节要求a)输入信息1)CAD 数字样机；2)材料热属性；3)电子元器件功耗和其它热源功率；4)设备温度控制条件。b)几何结构1)通过接口程序导入 CAD 数字样机，建立

23、CFD 数字样机的主体几何结构；2)通过手工修改和适当地简化与等效，完善 CFD 数字样机集合结构；PCB 板：在保证 PCB 板各向传导性能相等的情况下，PCB 板可等效为单层结构并简化成单一的各向异性材料。元器件：在保证元器件的重量、体积相等的情况下，若计算精度要求不高，可将元器件看成是各部分材料均匀分布的实体；若计算精度要求较高时，可采用 2R 模型或 DELPHI 模型。焊点：不需要建立焊点。T/GDCKCJH 01420209通孔：不需要建立通孔。有连接件的连接方式：需要建立连接件的模型并正确地装配在相应位置，螺栓连接、铆接等几何形状可不建模。无连接件的连接方式：不需要在 CFD 模

24、型中反映这类连接关系，例如：焊接、胶接等。3)其它情况：参照 CAD 建模规则进行简化，否则不做简化处理。c)网格划分1)应保证关键器件或结构、主要热传递通路、窄的流体通道位置有足够网格划分；2)在各参数（如温度、压力、速度）变化不大的区域可以适当使用比较粗的网格；d)网格质量检查应保证网格长宽比小于 200，建议控制在在 20 以内。e)属性设置。应逐一设置伺服系统和各组成零部件、元器件的属性，包括：1)材料热属性；2)流体热属性；3)热源参数；4)热边界条件；f)CFD 数字样机的修正为了保证 CFD 数字样机的准确性，建议进一步利用热测试手段对模型进行修正。5.2.4FEM 数字样机要求

25、5.2.4.1软件要求推荐但不局限于下列软件中的一种建立 FEM 数字样机：a)MSC.PATRANb)ABAQUSc)HYPERMESHd)ANSYSe)ANSYS WORKBENCH5.2.4.2版本和更新记录要求FEM 数字样机应当明确标注版本号并提供更新说明。a)版本号版本号的命名遵循如下规则：X-AAA-BBB1)X 为 C、S、D，分别代表初样阶段、正样阶段和鉴定阶段；2)AAA 为设计状态编号，与某一设计状态相对应，与 CAD 数字样机相同；3)BBB 为设置状态编号，与软件中的某一属性设置状态相对应。b)更新记录更新记录中应当逐条说明当前版本对前一版本的更改情况。5.2.4.3

26、细节要求a)输入信息1)CAD 数字样机；2)材料力学属性；3)伺服系统温度控制条件。b)几何结构T/GDCKCJH 014202010通过接口程序导入 CAD 数字样机，建立 FEM 数字样机的主体几何结构和通过手工修改和适当地简化与等效，完善 FEM 数字样机几何结构，包括以下内容：1)板级模型管脚、焊点省略；小的元器件如表贴电阻、表贴电容根据其数量和质量等效到电路板上；大的元器件如变压器、线圈等以实体形式建立模型；导热条根据附着电路板的面积和质量等效在电路板的局部结构上；冷板应根据实际结构和质量等效为薄板形式的模型。2)机箱模型机箱铝板和加强筋采用薄壳单元来等效；机箱上局部的实体块和围框

27、采用实体单元来等效；连接问题根据相应的铆钉或螺钉单元来等效。c)网格划分1)划分网格应采用半自动划分方法；2)根据结构布局决定网格疏密程度，而不能统一划分；3)进行振动分析时网格应比较均匀；4)外部载荷位置和节点位置应重合，防止载荷偏移造成影响；5)对于对称结构应使网格对称。d)网格质量检查1)细长比检查，即方形单元两邻边长边与短边的比应大于 1 小于 5；2)内角检查，即对于三角形单元角度应大于 15 度小于 165 度、四边形的角度应大于 45 度小于 135 度；3)翘曲量检查，即四边形的两对角线的距离越小越好，其距离与单元大小确定；4)重合节点检查，即保证两单元之间的公共节点不存在两个

28、及以上重合点；5)自由边检查，即经过划分的网格节点和单元不能有不连续点和边。e)属性设置应逐一设置伺服系统和各组成零部件、元器件的属性，包括：1)板壳厚度；2)截面特性；3)材料属性；4)约束边界条件。f)FEM 数字样机的修正为了保证 FEM 数字样机的准确性，建议进一步利用测试手段对模型进行修正。5.3应力施加5.3.1热应力施加5.3.1.1软件要求推荐采用 FLOTHERM 软件进行 CFD 数字样机的热应力施加和分析。5.3.1.2输入信息a)CFD 数字样机；b)设备寿命周期使用方法；c)设备寿命周期热环境条件；T/GDCKCJH 014202011d)设备温度控制条件。5.3.1

29、.3应力施加实施要求a)采用计算流体力学数值分析方法进行伺服系统的热分析；b)应全面考虑热交换的三种方式：传导、对流和辐射；c)根据分析对象的不同，除了进行稳态热分析，某些零部件还需要进行局部的瞬态热分析；d)必须分析伺服系统在最高/最低工作温度下的稳态温度分布情况，并依据耐热设计的准则、规范和许用范围，对伺服系统的耐环境能力进行评价，指出设计中的问题，以及不能满足要求的薄弱部位。5.3.1.4结果输出a)指定条件下的设备内部温度分布情况；b)设备耐热能力评价及优化方案等。5.3.2振动应力施加5.3.2.1软件要求推荐但不局限于采用下列软件中的一种进行 FEM 数字样机的振动应力施加和分析：

30、a)MSC.PATRAN&MSC.NASTRAN；b)ABAQUS。5.3.2.2输入信息a)FEM 数字样机；b)伺服系统寿命周期使用方法；c)伺服系统寿命周期振动环境条件；d)伺服系统振动控制条件。5.3.2.3应力施加实施要求a)采用有限元数值分析方法进行设备的振动分析；b)应按照伺服系统模态分析频率响应分析随机响应分析的顺序完成分析；c)对重要零部件还需要进行局部的细化建模和分析；d)必须分析伺服系统在最大振动条件下的振动响应分布情况，并依据抗振动设计的准则、规范和许用范围，对伺服系统的抗振动能力进行评价，指出设计中的问题，以及不能满足要求的薄弱部位。5.3.2.4结果输出结果输出如下

31、：a)伺服系统固有模态；b)指定条件下的伺服系统内部随机振动响应分布情况，包括均方根加速度值和均方根位移值；c)伺服系统抗振动能力评价及优化方案等。5.4故障预计5.4.1软件要求T/GDCKCJH 014202012应采用基于故障物理的应力损伤分析软件进行伺服系统的故障预计。推荐采用以下软件：a)calcePWA；b)calceFAST。5.4.2输入信息a)热应力施加结果和振动应力施加结果；b)CAD 数字样机；c)电路板详细设计参数和工艺参数；d)电子元器件详细设计参数。5.4.3故障预计实施要求a)应全面分析伺服系统各种可能的故障机理，对特殊故障机理需要确认软件中已集成该机理的故障物理

32、模型。b)电路板和元器件装配参数的波动范围应尽可能采用实测值；c)对参数离散性的蒙特卡罗仿真抽样次数不得低于 1000 次。5.4.4结果输出结果输出如下：a)伺服系统的故障信息矩阵；b)各故障机理的故障时间蒙特卡罗仿真值。5.5可靠性评估5.5.1软件要求应采用应力损伤数据分析与可靠性评估软件进行伺服系统的可靠性评估。推荐采用 capeDARE 软件。5.5.2输入信息a)故障信息矩阵；b)各故障机理的故障时间蒙特卡罗仿真值。5.5.3可靠性评估实施要求可靠性评估实施要求如下：a)采用三参数威布尔分布进行各潜在故障点的故障密度分布拟合；b)故障聚类中聚类准则J至少应大于 0.2，故障聚类方法

33、参见附件 C；c)采用型故障类所含各故障机理数据进行伺服系统的故障密度分布融合，用以评估伺服系统的可靠性；d)对于组成过于复杂（元器件数量超过 1000 个）的伺服系统，可以对组成模块进行故障聚类、分布融合和可靠性评估，再进行伺服系统可靠性评估的方式处理。5.5.4结果输出伺服系统的故障密度分布及其可靠性评估值。T/GDCKCJH 014202013T/GDCKCJH 014202014附录A（规范性附录）基于故障物理的应力损失分析软件要求基于故障物理的应力损伤分析软件集成了电子产品常见的各种故障物理模型，具有对电路板组件、电子元器件进行应力累积损伤分析和故障时间仿真的能力，其功能模块主要包括

34、故障物理分析建模、FMMEA 分析、应力损伤分析、累积损伤分析和蒙特卡罗仿真等，各功能模块要求如下。A.1FMMEA(故障模式、故障机理及其影响)分析FMMEA 分析是研究伺服系统的每个组成部分可能存在的故障模式、故障机理，并确定各个故障模式对伺服系统其它组成部分和伺服系统功能影响的一种定性的可靠性分析方法。通过 FMMEA 分析初步预计伺服系统的潜在故障模式和故障机理，并选取合适的故障物理模型为后续的应力损伤分析做准备。A.2应力损伤分析针对每种可能的故障机理，由应力分析结果提取或细化建模分析得到潜在故障点的应力，经过数据处理转化为故障模型所需的输入形式，计算得到该故障点在某一应力水平下的故

35、障时间（即损伤率为 1的时间）。A.3损伤累积分析由于伺服系统的载荷历程比较复杂，因此需要转化为多个载荷水平进行应力分析和应力损伤计算，再按照持续时间的不同进行损伤累积，以获得各潜在故障点的故障时间。所有潜在故障点的累积损伤分析结果形成伺服系统的故障信息矩阵（包括故障模式、故障位置、故障机理及故障时间）。A.4蒙特卡罗仿真为了考虑伺服系统结构参数、材料参数、工艺参数、应力量值等在一定范围内的随机波动对应力损伤及损伤累积的影响，引入蒙特卡洛仿真方法进行参数离散和随机抽样计算，以形成大样本量的故障时间数据。T/GDCKCJH 014202015T/GDCKCJH 014202016附录B（规范性附

36、录）应力损伤数据分析与可靠性评估软件功能要求应力损伤数据分析与可靠性评估软件用于对应力损伤分析所获得的大样本数据进行故障密度分布拟合，并由大量的故障中挑选出符合需要的部分，再将这部分故障的故障密度分布采用仿真方法融合为伺服系统或模块的故障密度分布，最后评估出伺服系统的可靠性水平。其功能模块主要包括单点故障密度分布拟合、故障聚类、多点故障分布融合以及可靠性评估，各功能模块要求如下。B.1单点故障密度分布拟合根据某一潜在故障点的蒙特卡洛仿真大样本量故障时间数据，采用统计数学方法拟合该潜在故障点的故障时间分布。一般采用威布尔分布、指数分布、正态分布和对数正态分布等拟合。B.2故障聚类故障聚类是以伺服

37、系统的故障信息矩阵和单点故障分布作为输入，按聚类规则将故障分为型故障类、型故障类和型故障类。B.3多点故障密度分布融合对型故障类中的各单点故障，采用蒙特卡罗仿真方法进行故障分布融合，得到伺服系统有用寿命期内的故障时间分布，一般来说分布融合后为指数分布的形式。对型故障类中的各单点故障，采用蒙特卡罗仿真方法进行故障分布融合，得到伺服系统有用寿命后期和耗损期的故障时间分布，一般来说分布融合后其失效率呈不断上升的趋势。B.4可靠性评估按照用户需求，由伺服系统的故障密度分布函数求解伺服系统在规定置信度下的可靠性评估值，或求解出组成模块的可靠性评估值后计算伺服系统的可靠性评估值。T/GDCKCJH 014

38、202017T/GDCKCJH 014202018附录C（资料性附录）故障聚类方法C.1目的故障聚类的基本思想是将故障物理分析所获得的大量单点故障按一定的规则分类，从而识别影响伺服系统可靠性的关键故障和全寿命周期故障发生的规律。C.2原理从大量伺服系统的故障统计规律可知，对于机载设备这样结构组成复杂、多故障源的伺服系统，其故障率表现为“浴盆曲线”的形式。即少量的故障发生在有用寿命期内，决定了伺服系统的固有可靠性水平；而大量的故障发生在耗损期，其上升拐点决定了伺服系统的寿命（或称为经济寿命）。故障物理仿真试验结果包括了有用寿命期和耗损期的全部故障。故障聚类方法，就是采用聚类原理对仿真数据进行处理

39、，从而将“浴盆曲线”中有用寿命期故障与耗损期故障分类区分出来，分别用于评估伺服系统的可靠性与寿命。图 A-1 设备故障浴盆曲线C.3故障聚类方法C.3.1基本故障类通过故障聚类将伺服系统潜在故障分为三个基本故障类，即型故障类、型故障类和型故障类。其中型故障类出现在伺服系统有效寿命的早期，是由于设计不合理导致应力集中、降额不足等问题造成伺服系统过早地出现故障，这类故障直接反映出伺服系统设计或者生产工艺的缺陷和最薄弱环节，对该故障类的分析为设计优化决策的制定、可靠性提升提供直接的信息。型故障类是伺服系统在有用寿命期由于应力累积损伤作用造成的故障，它们难以完全避免或解决的代价过高，但这类故障发生的频

40、率很低。型故障类是伺服系统由于长时间使用，受到应力累积损伤作用造成的，它们出现的比较集中并且频率越来越高，这时伺服系统已进入有用寿命后期或耗损期，它们决定了伺服系统的经济寿命。C.3.2故障聚类步骤T/GDCKCJH 014202019C.3.2.1故障密度分布特征量的提取输入：各潜在故障点故障密度分布函数()f t。输出：00.0010.999,t tt，使得0.0010.9990000()(),()0.001,()0.999m axtttftftft dtft dt (1)密度分布函数特征量00.0010.999,t tt如下图 A-2 所示。图 A-2密度分布函数的三个特征量若故障密度分

41、布函数为正态分布，那么上面特征量可直接查表得出；若故障密度分布函数为其它形式，要得到上面的特征量可用下面算法实现：（1）记0)()tF tf t dt（，计算10.001(0.001)tF，10.999(0.999)tF，输出0.0010.999,tt；（2）设置初始值10.0012,0.999ttt；（3）置12()/2mttt，计算()mf t；（4）如果()0mf t0，那么1mtt，转入（3），否则转入（5）；（5）2mtt，转入（3）；（6）上述过程（3）-（5）重复 15 次结束，输出结果0mtt。C.3.2.2聚类准则基于密度分布的相似性对故障进行聚类，基本思想是：把密度分布相似

42、的故障聚为一类，通过将所有的故障聚为若干故障类来实现聚类分析。所谓密度分布相似是指高密度集中位置点距离最短，而相同的高密度集中区间最长。两密度分布相似如下图 A-3 所示。如果故障 1 对应的密度分布高密度集中位T/GDCKCJH 014202020置点为1mt，集中区间为1min1max,tt，故障 2 对应的密度分布高密度集中位置点为2mt，集中区间为2min2max,tt，利用密度分布的相似性选取的故障模式聚类准则如下：121max2max1min2min|min,max,mmttJtttt，(2)根据上面准则，|J越小，说明两密度分布越相似。图 A-3 相似密度分布图C.3.2.3聚类计算首先，计算各故障密度分布函数的三个特征量，按各故障对应的密度分布密度集中位置点排序；其次，按聚类准则计算相邻故障之间的距离J；最后，对所有的J进行奇异点检测，选择合适的J作为分类准则，把所有的故障分为三类，依次为型故障类、型故障类和型故障类。通过上面的聚类分析，把所有的故障进行了划分，找出了型故障类、型故障类和型故障类。工程师可以根据上面的划分，从型故障类出发，消除伺服系统的薄弱环节；由型故障类评估伺服系统的可靠性（若型故障类未得到有效的消除，则伺服系统的可靠性评估需同时考虑型故障类和型故障类）；由型故障类评估伺服系统的经济寿命。_