随着科学技术的迅猛发展和制造水平的大幅提高,复杂机电系统在航空、航天、舰船和兵器等高端军工领域的应用越来越广泛。作为高端军工领域核心的复杂机电系统一般会具有寿命长、可靠性高、结构复杂、研制费用高等特征。一方面,系统会涉及机械、电气、液压和控制等多学科及其耦合;另一方面,其不断丰富的结构功能和复杂的运行工况将可能引起系统故障、人员伤亡、巨额经济损失。基于此,复杂机电系统耐久性寿命计算和可靠性水平评估是关乎当前国家安全稳定和国民生命财产安全的重大课题。射流管伺服阀是一种典型的高精密复杂机电系统,因其前置级为特殊的射流管放大器而得名。由于在灵敏度、抗污染和动态响应等方面具有较好的性能,目前航空舰船等军工领域已普遍使用射流管式伺服阀代替喷嘴挡板式,其耐久性寿命和可靠性将直接制约军工设备整体的稳定性和安全性,而目前工程上依靠进行伺服阀出厂前的规定试验以确保其耐久性寿命和可靠性,这种方法具有周期长、耗费大和准确度低等弊端。因此,以射流管伺服阀为例,研究一种复杂机电系统耐久性寿命预测和可靠性评估方法,对于同类产品故障的定性分析、预测和服役寿命的定量计算具有重要意义。本文以失效物理理论和可靠性理论为基础,借助数值模拟技术对射流管伺服阀耐久性和可靠性进行了研究,主要研究工作包括:(1)基于对射流管伺服阀组成结构及工作原理的深入分析,分别建立了力矩马达、衔铁反馈组件、射流管放大器和滑阀的数学模型。目前集中参数建模方法大多是将射流放大器流场简化成线性方程进行计算的,本论文综合接收器面积分配公式的推导和基于能量守恒的射流流场分析完成了射流放大器模型的创建。考虑泄漏和油液压缩性,建立了改进的滑阀模型。最后对射流管伺服阀系统整体数学模型进行了推导,进一步在MATLAB软件中搭建了整阀模型并完成了仿真分析,模型的建立与仿真是耐久性分析中故障机理和失效临界值确定的基础,同时也为优化设计提供了目标函数。(2)综合双基点灰色关联投影理论和直觉模糊理论进行了故障模式、影响和危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA)的改进研究。传统FMECA方法存在无法考虑影响因素权重分配、风险优先数易出现并列及高敏感现象、未涉及模糊犹豫度等缺点,特将双基点灰色关联投影理论和直觉模糊理论引入FMECA并提出了基于双基点灰色关联投影的模糊直觉FMECA模型,选取考虑犹豫度的直觉模糊数进行影响因素等级的确定,采用层次分析法确定影响因素权重集,利用双基点灰色关联投影理论进行相对投影值RP(Relative Projection)矩阵的计算,并按照矩阵元素RP_i的升序进行故障模式危害性排序。最后利用该方法进行射流管阀故障模式危害性分析及排序,为其耐久性分析中薄弱环节的选取和可靠性分析中故障部件及模式的确定提供了基础。(3)深入分析了失效物理技术的原理及复杂机电系统常见故障机理,基于此提出了一种复杂机电系统耐久性分析方法,确定了方法中机理分析、耐久性分析建模、仿真分析和耐久性指标计算的具体内容。基于第3章分析确定的射流管伺服阀薄弱项分别进行耐久性分析:将概率理论和模糊理论引入传统Miner理论得到进行试件疲劳寿命预测模型,预测模型涉及疲劳分散性模型与疲劳损伤模型两部分,利用该模型对弹簧管和反馈杆件耐久性疲劳寿命进行了进一步计算;综合计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论,应用雷诺平均Navier-Stokes方程、标准k-ε两方程模型、离散相流动模型和塑性材料冲蚀磨损模型,对射流管阀喷嘴接收器部位进行冲蚀磨损的数值模拟和耐久性寿命的计算;选用线磨损度来定量描述阀芯阀套径向间的粘着磨损值,综合阀芯递减的单次开启磨损量和最大允许磨损量确定了阀芯阀套径向耐久性磨损寿命,综合计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论建立了阀芯阀套工作棱边冲蚀磨损模型并进行了耐久性寿命的计算;采用ANSYS软件仿真和理论计算得到密封圈实际工况下等效应力,基于断裂力学模型获得密封圈耐久性疲劳寿命,最后进行了整阀耐久性分析。(4)射流管伺服阀可靠性具有显著的随机性和动态性。针对传统可靠性建模方法在描述时间、动态过程方面存在的缺陷,首先提出一种基于广义随机petri网(Generalized Stochastic Petri Net,GSPN)的复杂机电系统动态可靠性分析方法,该方法以系统可靠性为中心,利用GSPN建立了考虑维修时间的动态可靠性模型;其次提出了另一种基于蒙特卡罗方法的复杂机电系统动态可靠性分析方法,该方法以系统维修成本率为优化目标,考虑不同的维修效果对系统可靠性的影响,以蒙特卡罗方法为工具建立了动态可靠性模型。最后将两种以概率度量的方法分别应用于射流管阀系统的动态可靠性分析。(5)射流管放大器是射流管伺服阀的核心组成部分,其放大效率决定于结构参数的取值,而结构参数取值又会影响射流管放大器的耐久性寿命。首先确定了射流管放大器压差p_f最大为优化目标和耐久性寿命要求为约束条件;其次将混沌理论和粒子群算法进行结合形成混沌粒子群算法,该算法即提高了寻优的效率又避免了早熟现象,并以混沌粒子群算法为工具进行了射流管放大器结构参数寻优;最后对优化后的结构进行了冲蚀磨损率和阀芯位移仿真以验证其有效性。