题目：星载传动机构加速寿命试验理论及评估方法研究

星载传动机构主要部件的长时间运转引起的性能退化和精度丧失是影响卫星在轨寿命的关键因素，其高可靠性和长寿命对新型长寿命卫星的研制和使用至关重要。通常，产品寿命试验是获得产品寿命的重要手段，但对于星载传动机构的典型元部件，如果采用常规寿命试验的方法往往需要耗费很长的试验时间和大量的试验费用，甚至所需要的试验时间远远大于研制周期，几乎不可能在投入使用前完成寿命评估与验证，因此星载传动机构典型元部件的加速寿命试验逐渐受到人们的重视。

加速寿命试验是在不改变产品失效机理的前提下，通过加强产品的环境应力或工作应力，加快产品故障、缩短试验时间，从而在较短的时间内预测出产品在正常应力作用下寿命特征的方法。星载传动机构由于故障模式繁多、故障机理复杂、应力耦合严重和承受变应力载荷谱，使得其关键故障机理提取困难，且传统恒定应力加速模型不再适用。另外，星载传动机构还有一个重要的特点：样本量小、有些样本很难做到故障，这一特点严重制约了加速寿命试验在星载传动机构寿命评估中的应用。本论文针对以上问题，选择星载传动机构典型部件——固体润滑轴承和谐波齿轮减速器作为研究对象，首先通过宏观和微观故障物理和化学分析深入探讨其故障机理，获取产品故障发展规律，并结合摸底试验确定影响其故障进程的关键应力并给出其综合应力加速寿命试验载荷谱设计方法。然后，本论文从以下几个方面展开研究工作。

（1） 加速模型利用加速寿命试验结果来估计产品在任意工作条件下的可靠性指标，是加速寿命试验理论研究和工程应用中的重要内容。固体润滑轴承和谐波齿轮减速器都属于机械产品，截至目前尚未有专门针对它们的基于失效物理的加速模型。本论文针对固体润滑轴承和谐波齿轮减速器的结构和实际工况，分别建立基于相关性分析和比例风险效应的固体润滑轴承加速模型和基于Manson疲劳曲线和累积损伤理论的谐波齿轮减速器加速模型。前者将固体润滑轴承这一“紧凑”的机械部件视为一个由若干子部件组成的系统，用Copula函数描述子部件之间的相关性，并以比例风险效应描述应力水平对可靠度函数的影响。后者基于谐波齿轮减速器主要的故障机理——柔轮的疲劳断裂，以Manson疲劳曲线描述其寿命分布，并以累积损伤理论计算各应力阶段所造成的总的疲劳损伤。因为两个模型中参数数量较多，本论文还提出了基于遗传算法和模式搜索算法的参数估计方法来进行两个模型中的参数估计。

（2） 星载固体润滑轴承进行加速寿命试验的样本量通常较少，因而利用有限的试验数据进行有效的寿命评估就成为其加速寿命试验研究中的重要内容。性能退化分析能够实时给出产品或系统多方面的运行状态和健康状况，相比传统的只考虑故障或截尾时间的寿命评估方法能够更好地克服小样本的问题。目前关于固体润滑轴承的性能退化分析主要是基于对试验轴承的拆解或对在轨卫星上的固体润滑轴承的试验分析，操作较为复杂，且不具备很好的可推广性。针对以上问题，本论文对固体润滑轴承的振动信号和摩擦力矩信号的特征进行分析，选择最优Laplace小波滤波器作为振动信号处理方法，提取能反映固体润滑轴承工作状态的特征量，然后选用基于自组织映射神经网络（SOM）的退化轨迹方法和最小量化误差（MQE）方法对提取到的特征量进行分析，并反映固体润滑轴承的性能退化过程。然后考虑到SOM方法自身的局限性，在其基础上进行了改进，提出了模糊SOM方法。对以上几种方法都进行了加速寿命试验验证。
相比固体润滑轴承，星载谐波齿轮减速器的小样本问题更为突出。实际工程中很难有足够数量的样本进行加速寿命试验，因而运用数值计算或仿真的方法进行寿命评估就成为重要的补充手段。本论文提出了两种谐波齿轮减速器寿命评估方法。第一种方法是运用三维实体建模技术对谐波齿轮减速器的关键部件——柔轮进行建模，再进行有限元分析，得到静力结构分析结果。然后基于具体的载荷谱，使用双线性损伤规则计算各应力阶段造成的疲劳损伤并最终得到疲劳寿命。后者同样利用静力结构分析结果，在ANSYS®软件中设定初始条件，插入疲劳分析模块，进行仿真分析并得到疲劳寿命关键点和疲劳寿命分析结果。两种方法都可以在谐波齿轮减速器的设计阶段，通过数值计算或仿真分析得到谐波齿轮减速器的寿命。