航天电磁继电器寿命周期质量一致性设计研究

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电子元器件在服役过程中的质量问题已成为星、箭、弹发射延期和运行事故屡次发生的主要原因。航天电磁继电器又是电子元器件门类中质量最差的器件之一。结构和工艺繁杂所必然带来的批次制造产品寿命周期质量一致性(初始时刻和退化失效过程)差异,是导致航天电磁继电器质量较差的重要原因,也是科研人员、航天电磁继电器厂家和航天电磁继电器用户关注的共性基础问题。通过提高制造工序精度抑制机加、装配和调试过程的多源不确定性波动,固然可在一定程度上解决批次制造航天电磁继电器产品寿命周期质量一致性差异性大的问题,但涉及到繁多零部件及制造工序,如何选择关键环节并给出量化的改进要求,从而使批次制造航天电磁继电器产品质量特征的退化速率和退化波动定量可控,目前并无适宜的方法。究其根本原因,一方面目前尚无描述制造工序参数(材料性能、零部件机加参数、组件装配参数、整机调试参数及关键零部件性能退化参数)与寿命周期质量一致性定量关系的评价模型,另一方面,尚缺乏基于该模型的航天电磁继电器寿命周期质量一致性设计方法。针对以上问题,本文研究考虑多源不确定性综合作用的航天电磁继电器寿命周期质量一致性评价与设计方法。首先,提出航天电磁继电器关键零部件微观退化的宏观性能参数表征建模方法,揭示关键零部件退化机理和性能演化规律。试验确定研究对象的退化失效模式,从吸反力配合特征出发确定失效机理和底层关键退化零部件(材料);试验分析电磁和温度应力作用下永磁体微观磁畴、磁畴壁和强磁相α1时效演化规律,建立永磁体对数衰减函数形式的磁不可逆退化模型,实现永磁体时变退磁规律的量化分析;试验分析触点接触对在不起弧时的金属液桥和起弧时的阳极-阴极电弧作用下的材料转移机制,建立接触对Wiener随机过程退化模型,揭示接触对表面形貌演化规律;试验分析弹性簧片高周循环作用下位错、滑移微观运动退化机理,建立考虑测试误差的Wiener随机过程退化模型,实现循环动作弹性簧片退化机理和退化规律的准确描述;上述模型的建立为航天电磁继电器寿命周期质量一致性评价与设计奠定基础。其次,建立航天电磁继电器寿命周期数字化模型,提出考虑多源不确定性的量化分析方法,通过退化数据融合,实现航天电磁继电器寿命周期质量一致性定量评价。分析航天电磁继电器的工作原理,基于实测数据建立航天电磁继电器寿命周期数字化模型,实现其静动态特征精准计算;分析多源不确定性的特征,提出基于顺序统计建模的概率型和主动集策略的非概率超椭球区间型不确定性量化方法,实现多源不确定性的准确、快速量化;分析航天电磁继电器寿命周期质量一致性演化规律,建立航天电磁继电器寿命初始时刻分布信息和寿命过程中质量一致性评价模型,实现多源不确定性影响下寿命周期质量一致性评价,为寿命周期质量一致性设计提供依据。然后,在航天电磁继电器寿命周期质量一致性评价模型基础上,提出寿命周期质量一致性全局多目标最优参数设计方法,在不改变制造工序情况下实现质量稳健性的显著提升。针对航天电磁继电器质量一致性设计批次样本评价对质量特征计算效率的需要,将实测结果和时变特征引入到替代建模过程,实现静动态特征高精度快速计算;考虑设计参数与寿命周期质量一致性之间作用规律,提出综合线性度和时变全局灵敏度分析方法,实现多维质量特征作用下的关键设计参数解耦与筛选;针对航天电磁继电器寿命周期质量特征退化,提出基于时变非线性效应和质量特征退化补偿的全局多目标参数设计方法,改进差分进化(DE)算法的种群进化策略、变异策略和控制参数策略形成自适应DE算法,确定目标函数和约束条件,使用自适应DE算法进行寻优,得到航天电磁继电器设计参数最佳中心值组合方案,实现航天电磁继电器寿命周期退化速率的控制。最后,在设计参数最佳中心值组合方案基础上,提出考虑航天电磁继电器寿命周期贡献率变化、寿命周期质量损失和制造可行性的寿命周期质量一致性自适应贡献率容差设计方法,实现航天电磁继电器寿命周期退化波动的控制。针对多源不确定性影响下航天电磁继电器质量波动难以抑制的问题,提出综合考虑不确定性范围变化导致的贡献率、寿命周期质量损失和制造可行性变化的自适应贡献率容差再分配方法,建立容差设计目标函数,使用自适应DE算法迭代寻优确定最优容差组合,在不明显增加制造成本的前提下,显著提升寿命周期质量一致性;针对关键薄弱制造工序环节,研制相应的测控装置,提升容差分配方案的可行性,将航天电磁继电器参数设计和容差设计方案的固有一致性转化为服役一致性。
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