本發(fā)明涉及可靠性設(shè)計分析領(lǐng)域，具體涉及一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法。

背景技術(shù)：

1、大型工業(yè)過程和復(fù)雜裝備系統(tǒng)在長周期自動化運行中存在多種潛在的危險因素，儀器儀表作為測控感知的基本單元，是大型工業(yè)過程和復(fù)雜裝備系統(tǒng)自動化運行控制的關(guān)鍵設(shè)備，也是其安全可靠運行的根本保障。一旦儀器儀表發(fā)生故障，則會快速影響整個系統(tǒng)的運行狀況，嚴(yán)重時會導(dǎo)致事故發(fā)生，造成環(huán)境損害、經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。

2、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得儀器儀表的種類和形式愈發(fā)豐富。目前儀器儀表技術(shù)已跨入了電子化、數(shù)字化、智能化的新階段。智能儀表具有自我診斷、誤差校正、遠(yuǎn)程通信、人機交互、數(shù)據(jù)處理等眾多高端功能，可以在更復(fù)雜的環(huán)境條件下完成更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的測量與監(jiān)控任務(wù)，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路交通、水利電力、石油化工以及核電等領(lǐng)域。但由于智能儀表所包含的強大功能，其不可避免的存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，生產(chǎn)工藝繁瑣等問題，導(dǎo)致其可靠性相對較低。因此，如何保證智能儀表長期穩(wěn)定可靠運行，為大型工業(yè)過程和復(fù)雜裝備系統(tǒng)提供堅實保障成為目前一大迫切需要解決的問題。

3、智能壓力變送器是一種智能化的壓力參數(shù)測量儀表，可用于測量各種液體、氣體的差壓、壓力等參數(shù)，是智能儀器儀表最具有代表性的產(chǎn)品之一。在智能壓力變送器的眾多組成部件中，膜盒傳感器有著至關(guān)重要的作用，有著將介質(zhì)壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能，其可靠性將直接影響智能壓力變送器的整機可靠性。在測量介質(zhì)的壓力作用下，膜盒傳感器中的中心測量膜片會在外界壓力的持續(xù)沖擊下萌生微裂紋，在交變載荷的作用下，微裂紋不斷萌生、集結(jié)、聯(lián)通，最終形成宏觀裂紋并導(dǎo)致中心測量膜片斷裂，最終致使智能壓力變送器整機損壞。同時，智能壓力變送器膜盒傳感器會受到其材料、結(jié)構(gòu)、作用載荷等不確定性的影響，這些不確定性會導(dǎo)致膜盒傳感器各組成部分的性能產(chǎn)生波動，并最終影響膜盒傳感器以及智能壓力變送器整機的故障行為。在這些具有不確定性的參數(shù)中，預(yù)加張力對感壓膜片撓度的影響十分明顯，預(yù)加張力的大小關(guān)系到膜片后續(xù)的力學(xué)特性，其內(nèi)部張力的均勻性和一致性也直接影響到膜片測量的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性。因此，需要著重關(guān)注預(yù)加張力的不確定性對膜盒傳感器的影響。在這種情況下，為設(shè)計出高精度、長壽命的智能壓力變送器，需要在充分考慮多源不確定性的前提下開發(fā)出一套適用于膜盒傳感器的高精度疲勞可靠性評估方法，用于在產(chǎn)品設(shè)計階段開展可靠性分析與評估。

4、基于以上背景，本發(fā)明提供了一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法。采用蒙特卡洛模擬與有限元仿真相結(jié)合的方式來評估多源不確定性對膜盒傳感器疲勞故障的影響，并利用克里金代理模型減少有限元仿真的計算時間和計算資源，以達(dá)到計算精度和計算效率的最佳平衡。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為充分考慮膜片預(yù)加張力對中心測量膜片疲勞行為的影響，更準(zhǔn)確地評估膜盒傳感器在多源不確定性下的可靠性水平，本發(fā)明提供了一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法。該方法可以在充分考慮包括預(yù)加張力不確定性在內(nèi)的多源不確定性的影響的前提下，有效節(jié)省大量的仿真時間和資源，更高效的對膜盒傳感器的疲勞可靠性進(jìn)行分析與評估。該方法可在膜盒傳感器的可靠性設(shè)計、故障預(yù)測、維修更換決策等方面提供理論方法支持，同時在處理復(fù)雜程度高、耗時長的可靠性建模與分析問題上具有潛在的實際應(yīng)用價值。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法，包括如下步驟：

3、步驟1：梳理膜盒傳感器在其制造、裝配和服役過程中面臨的多源不確定性，包括材料參數(shù)不確定性、裝配參數(shù)不確定性和載荷參數(shù)不確定性，并通過概率統(tǒng)計的方法建立上述參數(shù)的概率表征模型。

4、具體的，在材料參數(shù)、裝配參數(shù)和載荷參數(shù)中共選取六個關(guān)鍵變量開展不確定性分析，分別為：中心測量膜片材料彈性模量e1，中心測量膜片材料泊松比v1，隔離膜片材料彈性模量e2，隔離膜片材料泊松比v2，介質(zhì)壓力p，以及中心測量膜片預(yù)加張力t。

5、對于中心測量膜片的預(yù)加張力t，為模擬在實際裝配過程中膜片預(yù)加張力的施加方式，選擇通過向膜片施加徑向形變的方式模擬預(yù)加張力的作用，利用式(1)將預(yù)加張力等效轉(zhuǎn)化為徑向形變，其中，預(yù)加張力的不確定性體現(xiàn)在在實際裝配過程中，中心測量膜片徑向膨脹量的不確定性：

6、

7、其中，t為測量膜片上預(yù)加張力的大??；e為測量膜片材料彈性模量；d為測量膜片直徑；δd為測量膜片等效徑向膨脹量。

8、隨后，利用正態(tài)分布表征預(yù)加張力t的不確定性，即中心測量膜片徑向膨脹量δd的不確定性，正態(tài)分布的概率密度函數(shù)如式(2)所示：

9、

10、其中，μ為正態(tài)分布的均值；σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

11、最后，以實際裝配過程中，施加在中心測量膜片上預(yù)加張力的理論設(shè)計值的等效徑向膨脹量δdcl作為正態(tài)分布的均值，并確定徑向膨脹量在實際裝配過程中的波動上限δducl和波動下限δdlcl，并基于六西格瑪質(zhì)量管理法計算得到正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差建立用于表征預(yù)加張力不確定性的正態(tài)分布概率統(tǒng)計模型，即

12、而對于其余5個隨機變量，分別以各自的公稱值acl作為正態(tài)分布的均值，并以0.05的變異系數(shù)分別確定相應(yīng)隨機變量正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差0.05×acl，建立用于表征該材料和載荷參數(shù)不確定性的正態(tài)分布概率統(tǒng)計模型，即a～n(acl,(0.05acl)2)。

13、步驟2：建立膜盒傳感器的三維裝配模型，開展網(wǎng)格劃分，施加自由度約束和載荷邊界條件，建立膜盒傳感器的有限元仿真模型。

14、具體的，同時建立隔離膜片、金屬外殼、中心測量膜片(固態(tài)結(jié)構(gòu))以及硅油傳遞介質(zhì)(液態(tài)結(jié)構(gòu))的三維裝配模型，并開展網(wǎng)格劃分，通過載荷邊界條件的施加將外界壓力的作用通過硅油傳遞至中心測量膜片上，從而模擬在外界壓力作用下膜盒傳感器中心測量膜片的疲勞行為。

15、步驟3：明確用以刻畫膜盒傳感器中心測量膜片疲勞行為的故障物理模型，由此建立膜盒傳感器的可靠性模型。

16、具體的，如式(3)所示，basquin-coffin-manson方程是一種被廣泛應(yīng)用于疲勞壽命預(yù)測的故障物理模型，它可以描述材料在不同應(yīng)變幅值下的疲勞壽命。該方程同時考慮了低周疲勞和高周疲勞兩種情況，因此選擇應(yīng)用該故障機理模型刻畫膜盒傳感器中心測量膜片的疲勞行為。

17、

18、其中，為總應(yīng)變幅值；為彈性應(yīng)變幅值；為塑性應(yīng)變幅值；σ′f為疲勞強化系數(shù)；e為材料彈性模量；b為basquin疲勞強度指數(shù)；ε′f為疲勞延展系數(shù)；c為coffin-manson疲勞延展指數(shù)；nf為疲勞壽命。

19、進(jìn)一步的，膜盒傳感器的可靠性模型可以表征為時變可靠度函數(shù)的形式，如式(4)所示：

20、

21、其中，r(t)為膜盒傳感器的可靠度函數(shù)，表示t時刻的可靠度；nf為隨機變量，表示膜盒傳感器在各不確定性參數(shù)影響下的疲勞壽命；f(t)為該隨機變量的概率密度函數(shù)。

22、步驟4：采用蒙特卡洛模擬方法和克里金代理模型開展膜盒傳感器疲勞壽命分布和疲勞可靠度的評估，具體包括以下步驟：

23、步驟4.1：基于步驟1所建立的各不確定性參數(shù)的概率表征模型，進(jìn)行蒙特卡洛隨機抽樣，生成包含n1組樣本的初始樣本池。

24、具體的，初始樣本池中的每一組樣本由中心測量膜片材料彈性模量e1，中心測量膜片材料泊松比v1，隔離膜片材料彈性模量e2，隔離膜片材料泊松比v2，介質(zhì)壓力p，以及中心測量膜片預(yù)加張力的等效徑向膨脹量δd，共六個參數(shù)組成。初始樣本池可表示為：

25、ω0＝{(e1i,v1i,e2i,v2i,pi,δdi)|i∈n*,i≤n1}???????????????????????(5)

26、其中，ω0為初始樣本池；(e1i,v1i,e2i,v2i,pi,δdi)為第i組樣本；n1為不小于50的樣本數(shù)量。

27、步驟4.2：將步驟4.1生成的各不確定參數(shù)的n1組隨機樣本代入步驟2建立的膜盒傳感器有限元模型，開展膜盒傳感器有限元仿真分析，并提取中心測量膜片的最大應(yīng)變值。

28、具體的，初始樣本池中n1組樣本有限元仿真結(jié)果中的中心測量膜片最大應(yīng)變值可表示為：

29、ω1＝{δεti|i∈n*,i≤n1}????????????????????????????????????????(6)

30、其中，ω1為初始樣本池的最大應(yīng)變值構(gòu)成的集合；δεti為第i組樣本的最大應(yīng)變值。

31、步驟4.3：基于步驟3建立的中心測量膜片疲勞模型，利用步驟4.2得到的中心測量膜片的最大應(yīng)變值，分別計算n1組膜盒傳感器樣本的疲勞壽命；

32、具體的，初始樣本池中n1組樣本的疲勞壽命可用式(3)計算得到，表示為：

33、ω2＝{nfi|i∈n*,i≤n1}????????????????????????????????????????(7)

34、其中，ω2為初始樣本池的疲勞壽命的集合；nfi為第i組樣本的疲勞壽命。

35、步驟4.4：利用步驟4.3得到的n1組樣本的各不確定性參數(shù)與對應(yīng)的疲勞壽命構(gòu)建克里金代理模型。

36、具體的，以ω0作為樣本特征，ω2作為樣本響應(yīng)構(gòu)建克里金代理模型。

37、步驟4.5：基于步驟1所建立的各不確定性參數(shù)的概率表征模型，進(jìn)行蒙特卡洛隨機抽樣，生成包含n2組樣本的候選樣本池，并利用步驟4.4構(gòu)建的克里金模型預(yù)測候選樣本池中n2組樣本的疲勞壽命。

38、具體的，候選樣本池中的每一組樣本由中心測量膜片材料彈性模量e1，中心測量膜片材料泊松比v1，隔離膜片材料彈性模量e2，隔離膜片材料泊松比v2，介質(zhì)壓力p，以及中心測量膜片預(yù)加張力的等效徑向膨脹量δd，共六個參數(shù)組成。候選樣本池可表示為：

39、ω3＝{(e1i,v1i,e2i,v2i,pi,δdi)|i∈n*,i≤n2}??????????????????????(8)

40、其中，ω3為候選樣本池；(e1i,v1i,e2i,v2i,pi,δdi)為第i組樣本；n2為不小于5000的樣本數(shù)量。

41、進(jìn)一步的，利用克里金模型預(yù)測的候選樣本池中n2組樣本的疲勞壽命，可表示為：

42、ω4＝{nfi|i∈n*,i≤n2}??????????????????????????????????????(9)

43、其中，ω4為候選樣本池疲勞壽命的預(yù)測值的集合；nfi為第i組樣本疲勞壽命的預(yù)測值。

44、步驟4.6：利用步驟4.5得到的候選樣本池中n2組樣本的疲勞壽命，繪制頻率-疲勞壽命直方圖，并利用步驟3中建立的可靠性模型對膜盒傳感器的疲勞壽命分布和疲勞可靠度進(jìn)行評估。

45、具體的，如式(10)所示，選用核密度函數(shù)對膜盒傳感器疲勞壽命的概率密度函數(shù)進(jìn)行評估：

46、

47、其中，為膜盒傳感器疲勞壽命的概率密度函數(shù)估計值；n2為候選樣本池樣本數(shù)量；nfi為候選樣本池中第i組樣本的疲勞壽命；h為帶寬；k(·)為核函數(shù)，一般選用正態(tài)核函數(shù)，其表達(dá)式如下：

48、

49、隨后，利用步驟3中建立的可靠性模型對膜盒傳感器的疲勞可靠度進(jìn)行評估，評估結(jié)果如下：

50、

51、本發(fā)明具有以下有益效果：

52、1.本發(fā)明提供的一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法，充分考慮了膜片預(yù)加張力對中心測量膜片疲勞行為的影響，可以更準(zhǔn)確地評估膜盒傳感器在多源不確定性下的可靠性水平，可在膜盒傳感器的可靠性設(shè)計、故障預(yù)測、維修更換決策等方面提供理論方法支持；

53、2.本發(fā)明提供的一種考慮多源不確定性的膜盒傳感器疲勞可靠性評估方法，在充分考慮包括預(yù)加張力不確定性在內(nèi)的多源不確定性的影響的前提下，可以有效節(jié)省大量的仿真時間和資源，更高效的對膜盒傳感器的疲勞可靠性進(jìn)行分析與評估，在處理復(fù)雜程度高、耗時長的可靠性建模與分析問題上具有潛在的實際應(yīng)用價值。