本發(fā)明涉及航天領(lǐng)域，尤其涉及一種航天器結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品裕度評價方法。

背景技術(shù)：

裕度評價在航天器，特別是航天器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中普遍應(yīng)用，如艙段、適配器、包帶、貯箱、以及各個分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，都要需要用裕度進行評價。

裕度的概念應(yīng)用比較廣泛，在國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)廣泛涉及，如美軍標(biāo)MIL-HDBK-83577、歐空局標(biāo)準(zhǔn)ECSS-E-30，GJB 4038、GJB 1307A，HB/Z4、GJB1389；GJB1579、GJB4732、；DL5073；SAPV；CVDA、GB150等標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了裕度，范圍覆蓋機械、壓力容器、醫(yī)療、食品、電子電氣、軍事、航空航天等各個領(lǐng)域。

裕度理論研究目前已經(jīng)滯后，滿足不了當(dāng)前工程應(yīng)用的需要。由于裕度的概念涉及的學(xué)科領(lǐng)域十分廣泛,科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員在各自的研究領(lǐng)域?qū)υ６鹊膬?nèi)涵和定義進行了探討,也利用這一概念努力探討解決本研究領(lǐng)域安全問題的方法,并取得了積極的結(jié)果。但是,有關(guān)裕度的研究還遠不夠深入,具體表現(xiàn)在如下方面:

裕度概念的本質(zhì)內(nèi)涵還比較模糊。在國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)和文獻中,有相關(guān)裕度概念和相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)的具體裕度要求，但是缺少裕度的嚴格定義，裕度的定義不統(tǒng)一。因此,隨研究領(lǐng)域不同,裕度有時表示安全系數(shù),有時表示零件公差或加工余量,有時用以描述安全性或可靠性,有時用以評價系統(tǒng)風(fēng)險等。這說明不同學(xué)者使用的裕度概念可能具有不同的含義。各學(xué)者根據(jù)自己的理解和解決問題的需要將安全裕度表達成多種形式,目前還沒有關(guān)于這一概念的公認的科學(xué)定義。

裕度的應(yīng)用基本還處于定性描述和討論階段,通過定量計算來解決安全問題的研究工作還比較少。概念應(yīng)用多,對安全裕度理論系統(tǒng)研究工作很少,導(dǎo)致理論工作無法滿足解決實際問題的需要。在工程應(yīng)用上,雖然有些研究工作涉及了安全裕度的計算問題,但關(guān)于安全裕度的理論體系、工程設(shè)計方法、分析評價原理等尚未建立起來。這在很大程度上阻礙了安全裕度的應(yīng)用和發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何實現(xiàn)航天器中產(chǎn)品的裕度計算

為了解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種航天器結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品裕度評價方法，包括如下步驟：

S1：得到產(chǎn)品的廣義應(yīng)力和廣義硬度的概率密度函數(shù)；

S2：根據(jù)步驟S1得到的概率密度函數(shù)得到聯(lián)合概率函數(shù)；

S3：確定選擇廣義應(yīng)力與廣義硬度的比值或差值作為產(chǎn)品的裕度的評價方式；

S4：針對特定概率條件，根據(jù)步驟S3確定的評價方式和步驟S2確定的聯(lián)合概率函數(shù)，計算該特定概率條件下的裕度；

S5：根據(jù)步驟S4確定的裕度進行產(chǎn)品可靠度的評價。

可選的，進行裕度評價的產(chǎn)品為支撐艙。

可選的，在所述步驟S1中，得到的廣義應(yīng)力的概率密度函數(shù)為：

可選的，在所述步驟S1中，得到廣義強度的概率密度函數(shù)為：

可選的，在所述步驟S2中，通過將廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)相乘，從而得到所述聯(lián)合概率密度函數(shù)。

可選的，若步驟S3所確定的評價方式為比值，在所述步驟S4中，在概率p條件下，針對裕度z＝y(tǒng)/x，根據(jù)所述聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分的區(qū)域積分，當(dāng)積分值為p時，得到對應(yīng)的z值。

可選的，若步驟S3所確定的評價方式為差值，在所述步驟S4中，在概率p條件下，針對裕度z＝y(tǒng)-x，根據(jù)所述聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分的區(qū)域積分，當(dāng)積分值為p時，得到對應(yīng)的z值。

可選的，在所述步驟S5中，進行產(chǎn)品可靠度的評價時，根據(jù)裕度數(shù)據(jù)得到產(chǎn)品的可靠度模型。

本發(fā)明認為，廣義應(yīng)力和廣義強度都是一定精度條件下，一定范圍內(nèi)的隨機變量，現(xiàn)有技術(shù)中裕度把廣義應(yīng)力和廣義強度進行運算，顯然是不合適的，不準(zhǔn)確，也不符合工程實際。所以需要回歸事實，對此，本發(fā)明把廣義應(yīng)力和廣義強度都作為隨機變量，開展裕度的評價研究。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一可選實施例中支撐艙應(yīng)力的概率密度函數(shù)；

圖2是本發(fā)明一可選實施例中支撐艙強度的概率密度函數(shù)；

圖3是本發(fā)明一可選的實施例中支撐艙的聯(lián)合概率密度函數(shù)；

圖4是本發(fā)明一可選的實施例中采用比值時裕度1.5的區(qū)域示意圖；

圖5是圖4對應(yīng)的裕度1.5的概率示意圖；

圖6是本發(fā)明一可選的實施例中采用差值時裕度1.5的區(qū)域示意圖；

圖7是對6對應(yīng)的裕度1.5的概率示意圖；

圖8是本發(fā)明一可選的實施例中采用比值時裕度1.5的區(qū)域示意圖；

圖9是圖8對應(yīng)的裕度1.5的概率示意圖；

圖10是本發(fā)明一可選實施例中支撐艙的可靠度模型。

具體實施方式

以下將結(jié)合圖1至圖10對本發(fā)明提供的航天器結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品裕度評價方法進行詳細的描述，其為本發(fā)明可選的實施例，可以認為，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不改變本發(fā)明精神和內(nèi)容的范圍內(nèi)，能夠?qū)ζ溥M行修改和潤色。

本發(fā)明提供了一種航天器結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品裕度評價方法，本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，進行裕度評價的產(chǎn)品為支撐艙。

以航天器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品之一的支撐艙為例，支撐艙主要功能為承載，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或破壞是影響支撐艙的典型故障模式，主要是由殼體的承載能力不足導(dǎo)致，承載能力的度量指標(biāo)為強度。因此，支撐艙的特征量參數(shù)為強度。

支撐艙在工作任務(wù)剖面主要受到振動的影響，因此，支撐艙所受的應(yīng)力為振動，其衡量參數(shù)與強度一致。支撐艙的應(yīng)力和強度分別如下式，圖形分別如圖1和圖2。

本發(fā)明提供的方法包括如下步驟：

S1：得到產(chǎn)品的廣義應(yīng)力和廣義硬度的概率密度函數(shù)；

裕度評價用比值或差值進行比較，即裕度評價是對同一參數(shù)的不同情況下的指標(biāo)對比，與廣義應(yīng)力強度模型理論吻合?？梢愿鶕?jù)裕度評價的參數(shù)，按照廣義應(yīng)力強度模型，以及參數(shù)在工程實際的分布情況，明確廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)。

在確定參數(shù)時，需明確參數(shù)是望大/望小特性，還是具有望目特性。望目特性、望大特性與望小特性三者之間可以相互轉(zhuǎn)化。

在本發(fā)明可選的實施例中，在所述步驟S1中，應(yīng)力經(jīng)過歸一化處理，得到的廣義應(yīng)力的概率密度函數(shù)為：

強度經(jīng)過歸一化處理，得到廣義強度的概率密度函數(shù)為：

S2：根據(jù)步驟S1得到的概率密度函數(shù)得到聯(lián)合概率函數(shù)；

具體來說，根據(jù)廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)，得到聯(lián)合概率密度函數(shù)。因為廣義應(yīng)力和廣義強度是對同一參數(shù)的衡量，一般情況下，二者相互獨立，所以，可以直接相乘得到廣義應(yīng)力和廣義強度的聯(lián)合概率密度函數(shù)?？梢姡谒霾襟ES2中，通過將廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)相乘，從而得到所述聯(lián)合概率密度函數(shù)。

按照上述方法，得到支撐艙的應(yīng)力和強度的聯(lián)合概率密度函數(shù)，其表達式如下：

S3：確定選擇廣義應(yīng)力與廣義硬度的比值或差值作為產(chǎn)品的裕度的評價方式；可以選用比值或差值進行比較作為裕度的評價方式。其中，本發(fā)明與傳統(tǒng)方法區(qū)別是本發(fā)明是用兩個隨機變量進行比或差的比較。

S4：針對特定概率條件，根據(jù)步驟S3確定的評價方式和步驟S2確定的聯(lián)合概率函數(shù)，計算該特定概率條件下的裕度；

針對比值法：

按照比值法對裕度進行評價，記z＝y(tǒng)/x，其中y為廣義強度，x為廣義應(yīng)力。

根據(jù)支撐艙的功能特點，按照望大特性，得到不小于z值的裕度區(qū)域，以支撐艙裕度z為1.5為例，如圖4中淺色區(qū)域所示。在此裕度區(qū)域上對聯(lián)合概率密度求積分，如圖5中淺色區(qū)域積分所得值，即為其概率，記為_p，經(jīng)積分計算，可以其概率。因而得到支撐艙的裕度為z＝1.5時，概率為_p。

如果要求在概率為_p條件下，求支撐艙的裕度。則通過以下方法。首先記_y＝zx，z為未知參數(shù)，明確待積分區(qū)域，根據(jù)廣義應(yīng)力和廣義強度的聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分區(qū)域進行積分，當(dāng)積分值為_p時，得到相應(yīng)的z值即為裕度。

可見，若步驟S3所確定的評價方式為比值，在所述步驟S4中，在概率p條件下，針對裕度z＝y(tǒng)/x，根據(jù)所述聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分的區(qū)域積分，當(dāng)積分值為p時，得到對應(yīng)的z值。

針對差值法：

按照差值法對支撐艙的裕度進行評價，記z＝y(tǒng)-x，其中，y為廣義強度，x為廣義應(yīng)力。按照望大特性，得到不小于z值的裕度區(qū)域，以裕度z為1.5為例，如圖6中淺色區(qū)域所示。在此裕度區(qū)域上對聯(lián)合概率密度求積分，如圖7中黃色區(qū)域積分所得值，即為其概率，記為_p。因而得到裕度為z時，概率為_p。

如果要求在概率為_p條件下，求裕度。則通過以下方法。首先記y＝x+z，_z為未知參數(shù)，明確待積分區(qū)域，根據(jù)廣義應(yīng)力和廣義強度的聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分區(qū)域進行積分，當(dāng)積分值為_p時，得到相應(yīng)的z值即為裕度。

上述為單側(cè)的裕度，航天產(chǎn)品有時具有望目特性，例如展開機構(gòu)，對展開力要求既不能太小，小了打不開；也不能太大，大了會帶來沖擊。針對這種情況，需開展雙側(cè)的裕度分析。具有望目特性的雙側(cè)的裕度區(qū)域和相應(yīng)的可靠度分別如圖8和圖9所示。

可見，若步驟S3所確定的評價方式為差值，在所述步驟S4中，在概率p條件下，針對裕度z＝y(tǒng)-x，根據(jù)所述聯(lián)合概率密度函數(shù)，在待積分的區(qū)域積分，當(dāng)積分值為p時，得到對應(yīng)的z值。

S5：根據(jù)步驟S4確定的裕度進行產(chǎn)品可靠度的評價。

在進一步可選的實施例中，在所述步驟S5中，進行產(chǎn)品可靠度的評價時，根據(jù)裕度數(shù)據(jù)得到產(chǎn)品的可靠度模型。本發(fā)明可以明確裕度與可靠度的關(guān)系。根據(jù)廣義應(yīng)力強度模型，支撐艙可靠度如圖10淺色區(qū)域積分所示。按照工程實踐感受，當(dāng)裕度為0時，即為可靠度。

本發(fā)明定義的裕度是：一定概率p條件下的裕度z。無論是比值法還是差值法，當(dāng)裕度為0時，其模型都與可靠度模型一致，即當(dāng)z＝0時，p為可靠度。

在概率一定的情況下，裕度越大，其可靠度越高，與工程實踐一致。

可見，本發(fā)明不是簡單的兩個定量的比較，而是兩個隨機變量的比較，因而考慮裕度的同時還考慮其相應(yīng)的概率，記為：一定概率_p條件下的裕度z；裕度評價用隨機變量的比值或差值進行比較，即裕度評價是對同一參數(shù)的不同情況下的指標(biāo)對比，與廣義應(yīng)力強度模型理論吻合；根據(jù)裕度評價的參數(shù)，按照廣義應(yīng)力強度模型，以及參數(shù)在工程實際的分布情況，明確廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)；根據(jù)廣義應(yīng)力和廣義強度的概率密度函數(shù)，得到聯(lián)合概率密度函數(shù)；選用比值或差值進行比較作為裕度的評價方式；明確裕度區(qū)域，根據(jù)廣義應(yīng)力和廣義強度的聯(lián)合概率密度函數(shù)，在裕度域進行積分，得到裕度相應(yīng)的概率；明確裕度與可靠度的關(guān)系。無論是比值法還是差值法，當(dāng)裕度為0時，其模型都與可靠度模型一致，即當(dāng)z＝0時，_p為可靠度。在概率一定的情況下，裕度越大，其可靠度越高，與工程實踐一致。

綜上所述，本發(fā)明認為，廣義應(yīng)力和廣義強度都是一定精度條件下，一定范圍內(nèi)的隨機變量，現(xiàn)有技術(shù)中裕度把廣義應(yīng)力和廣義強度進行運算，顯然是不合適的，不準(zhǔn)確，也不符合工程實際。所以需要回歸事實，對此，本發(fā)明把廣義應(yīng)力和廣義強度都作為隨機變量，開展裕度的評價研究。