考虑竞争失效与多源不确定性的扑翼飞行器驱动机构可靠性分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.020

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (6): 1472-1485.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.06.020

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考虑竞争失效与多源不确定性的扑翼飞行器驱动机构可靠性分析

崔卫民¹^,²(), 陈星宇², 王可可²^,³, 李佳航², 江德印¹(), 刘敬一¹, 庞欢¹

^1.长安大学汽车学院, 西安, 710064
^2.西北工业大学航空学院, 西安, 710012
^3.航空工业庆安集团有限公司, 西安, 710082

收稿日期:2025-05-12 出版日期:2026-06-25 发布日期:2026-07-17
通讯作者: 江德印
作者简介:崔卫民，男，1969年生，博士、副教授。研究方向为飞行器结构/机构可靠性分析、设计与试验。E-mail： cuiwm@nwpu.edu.cn
江德印^*（通信作者），男，1995年生，博士、讲师。研究方向为机构损伤动力学、机械可靠性。E-mail： jiangdy@chd.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(52202507);陕西省自然科学基金(2024JC-YBMS-371);陕西省自然科学基础研究计划(2024JC-YBQN-0564);中央高校基本科研业务费专项资金(300102224204);中央高校基本科研业务费专项资金(300102225104)

Reliability Analysis for Driving Mechanisms of Flapping-wing Aircrafts Considering Competitive Failure and Multi-source Uncertainty

CUI Weimin¹^,²(), CHEN Xingyu², WANG Keke²^,³, LI Jiahang², JIANG Deyin¹(), LIU Jingyi¹, PANG Huan¹

^1.School of Automobile，Chang'an University，Xi'an，710064
^2.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，710012
^3.AVIC Qing'an Group Co. ，Ltd. ，Xi'an，710082

Received:2025-05-12 Online:2026-06-25 Published:2026-07-17
Contact: JIANG Deyin

摘要/Abstract

摘要：

针对仿生扑翼飞行器驱动机构因铰链磨损导致寿命短的缺陷，提出含间隙铰链的扑翼驱动机构动态可靠性评估方法。基于扑翼飞行器驱动机构的工作原理对机构的失效模式进行分析，确立了磨损与运动不对称性为扑翼飞行器驱动机构的关键失效模式，融合Hertz接触力模型与Archard磨损理论建立了非均匀磨损动力学模型。通过离散控制点绘制样条曲线重构磨损轮廓，实现了多周次磨损动态更新仿真。在结合Kriging和蒙特卡罗模拟的主动学习方法（AK-MCS）基础上考虑竞争失效模式，将其改进为Improved-AKMCS，以量化铰链磨损与摇臂运动不对称的竞争失效机制。结果表明：机构前65 000周次运行时以磨损失效为主，至68 000周次因运动不对称失效加剧，总可靠度由0.9989降至0.0165。灵敏度分析证实了弹性模量、磨损率及铰链初始间隙对可靠性具有显著相关性。

关键词: 扑翼驱动机构, 失效模式, 铰链磨损, 机构可靠性, 非均匀磨损

Abstract:

Aiming at the lifespan bottlenecks of the bionic flapping-wing aircraft drive mechanisms caused by hinge wear， a dynamic reliability assessment method was proposed considering clearance hinges. Based on the working principle of the flapping-wing aircraft drive mechanisms， the failure modes of the mechanisms were analyzed， and wear and motion asymmetry were established as the key failure modes. A non-uniform wear dynamics model was developed by integrating the Hertz contact force model and the Archard wear theory. The wear profile was reconstructed by drawing spline curves through discrete control points， enabling dynamic update simulation for multiple cycles of wear. Building upon the active learning method combining Kriging and Monte Carlo simulation（AK-MCS） and considering competitive failure modes， improved-AKMCS was used to quantify the competitive failure mechanism between hinge wear and rocker motion asymmetry. The results indicate that wear failure dominates the first 65 000 operation cycles of the mechanisms； until 68 000 cycles， the failure due to motion asymmetry intensifies， and the overall reliability drops from 0.9989 to 0.0165. Sensitivity analysis confirms that the elastic modulus， wear coefficient， and initial hinge clearance have significant correlations with reliability.

Key words: flapping-wing drive mechanism, failure mode, hinge wear, mechanism reliability, non-uniform wear

中图分类号:

V227

崔卫民, 陈星宇, 王可可, 李佳航, 江德印, 刘敬一, 庞欢. 考虑竞争失效与多源不确定性的扑翼飞行器驱动机构可靠性分析[J]. 中国机械工程, 2026, 37(6): 1472-1485.

CUI Weimin, CHEN Xingyu, WANG Keke, LI Jiahang, JIANG Deyin, LIU Jingyi, PANG Huan. Reliability Analysis for Driving Mechanisms of Flapping-wing Aircrafts Considering Competitive Failure and Multi-source Uncertainty[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(6): 1472-1485.

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图/表 36

图1 扑翼驱动机构简图

Fig.1 Schematic diagram of flapping wing drive mechanism

图2 间隙矢量模型

Fig.2 Graph of the clearence vector model

图3 接触-碰撞-分离三状态图

Fig.3 Contact-collision-separation three-state diagram

图4 间隙铰链的样条曲线轴套轮廓

Fig.4 Profile of spline sleeve for clearance hinge

图5 轴套内轮廓样条曲线模拟图

Fig.5 Simulation diagram of spline curve of shaft sleeve inner contour

图6 铰链磨损与摇臂角速度偏差输出的分析流程图

Fig.6 Flowchart of analysis of hinge wear and rocker arm angular velocity deviation output

图7 仿真驱动力矩和气动载荷

Fig.7 Simulation of driving torque and aerodynamic load

图8 铰链法向接触力仿真结果

Fig.8 Simulation results of the normal contact force of the hinge

图9 铰链旋转角度输出图

Fig.9 Hinge rotation angle output diagram

图10 摇臂扑动角度输

Fig.10 Flapping angle of rocker arm

图11 铰链间隙公差

Fig.11 Hinge clearance tolerance

图12 构件杆长公差

Fig.12 Member rod length tolerance

表1 机构尺寸随机变量分布

Tab.1 Construct size random variable distribution table

变量	分布	截尾上限	截尾下限
铰链1、铰链2的轴套宽度/mm	N（1，0.01²）	1.03	0.97
铰链3、铰链4的轴套宽度/mm	N（1，0.01²）	1.03	0.97
铰链5、铰链6的轴套宽度/mm	N（2.5，0.025²）	2.575	2.425
铰链1、铰链2的轴套半径/mm	N（1.002，（1.67×10 $- 4$ ）²）	1.0025	1.0015
铰链3、铰链4的轴套半径/mm	N（0.501，（1.67×10 $- 4$ ）²）	0.5015	0.5005
铰链5、铰链6的轴套半径/mm	N（1.002，（1.67×10 $- 4$ ）²）	1.0025	1.0015
连杆前端长度/mm	N（24，0.011²）	24.033	23.969
连杆总长度/mm	N（38，0.013²）	38.03	37.961
连杆倾斜加工角/（°）	N（170，1.7²）	171.7	168.3
摇臂前端长度/mm	N（12，0.009²）	12.027	11.972

表1 机构尺寸随机变量分布

Tab.1 Construct size random variable distribution table

变量	分布	截尾上限	截尾下限
铰链1、铰链2的轴套宽度/mm	N（1，0.01²）	1.03	0.97
铰链3、铰链4的轴套宽度/mm	N（1，0.01²）	1.03	0.97
铰链5、铰链6的轴套宽度/mm	N（2.5，0.025²）	2.575	2.425
铰链1、铰链2的轴套半径/mm	N（1.002，（1.67×10 $- 4$ ）²）	1.0025	1.0015
铰链3、铰链4的轴套半径/mm	N（0.501，（1.67×10 $- 4$ ）²）	0.5015	0.5005
铰链5、铰链6的轴套半径/mm	N（1.002，（1.67×10 $- 4$ ）²）	1.0025	1.0015
连杆前端长度/mm	N（24，0.011²）	24.033	23.969
连杆总长度/mm	N（38，0.013²）	38.03	37.961
连杆倾斜加工角/（°）	N（170，1.7²）	171.7	168.3
摇臂前端长度/mm	N（12，0.009²）	12.027	11.972

表2 铰链的材料参数随机变量分布

Tab.2 Material parameter random variable distribution table of hinge

变量	铰链位置	元素	分布	截尾上限	截尾下限
弹性模量/Pa	铰链1、铰链2	轴	N（1.94×10¹¹，（1.94×10⁹）²）	1.9982×10¹¹	1.8818×10¹¹
	铰链3、铰链4		N（7×10¹⁰，（7×10⁸）²）	7.21×10¹⁰	6.79×10¹⁰
	铰链5、铰链6		N（1.94×10¹¹，（1.94×10⁹）²）	1.9982×10¹¹	1.8818×10¹¹
	铰链1、铰链2	轴套	N（1.14×10¹¹，（1.14×10⁹）²）	1.1742×10¹¹	1.1058×10¹¹
	铰链3、铰链4		N（1.15×10¹¹，（1.15×10⁹）²）	1.1845×10¹¹	1.1155×10¹¹
	铰链5、铰链6		N（1.14×10¹¹，（1.14×10⁹）²）	1.1742×10¹¹	1.1058×10¹¹
泊松比	铰链1、铰链2	轴	N（0.305，（0.305×10 $- 2$ ）²）	0.314 15	0.295 85
	铰链3、铰链4		N（0.346，（0.346×10 $- 2$ ）²）	0.335 62	0.356 38
	铰链5、铰链6		N（0.305，（0.305×10 $- 2$ ）²）	0.314 15	0.295 85
	铰链1、铰链2	轴套	N（0.34，（0.34×10^-2）²）	0.3502	0.3298
	铰链3、铰链4		N（0.34，（0.34×10 $- 2$ ）²）	0.3502	0.3298
	铰链5、铰链6		N（0.34，（0.34×10 $- 2$ ）²）	0.3502	0.3298
磨损率/（m²∙N $- 1$ ）	铰链1、铰链2		N（5.22×10 $- 14$ ，（5.22×10 $- 16$ ）²）	5.3766×10 $- 14$	5.0634×10 $- 14$
	铰链3、铰链4		N（5.85×10 $- 14$ ，（5.85×10 $- 16$ ）²）	6.0255×10 $- 14$	5.6745×10 $- 14$
	铰链5、铰链6		N（5.22×10 $- 14$ ，（5.22×10 $- 16$ ）²）	5.3766×10^-14	5.0634×10^-14

表2 铰链的材料参数随机变量分布

Tab.2 Material parameter random variable distribution table of hinge

变量	铰链位置	元素	分布	截尾上限	截尾下限
弹性模量/Pa	铰链1、铰链2	轴	N（1.94×10¹¹，（1.94×10⁹）²）	1.9982×10¹¹	1.8818×10¹¹
	铰链3、铰链4		N（7×10¹⁰，（7×10⁸）²）	7.21×10¹⁰	6.79×10¹⁰
	铰链5、铰链6		N（1.94×10¹¹，（1.94×10⁹）²）	1.9982×10¹¹	1.8818×10¹¹
	铰链1、铰链2	轴套	N（1.14×10¹¹，（1.14×10⁹）²）	1.1742×10¹¹	1.1058×10¹¹
	铰链3、铰链4		N（1.15×10¹¹，（1.15×10⁹）²）	1.1845×10¹¹	1.1155×10¹¹
	铰链5、铰链6		N（1.14×10¹¹，（1.14×10⁹）²）	1.1742×10¹¹	1.1058×10¹¹
泊松比	铰链1、铰链2	轴	N（0.305，（0.305×10 $- 2$ ）²）	0.314 15	0.295 85
	铰链3、铰链4		N（0.346，（0.346×10 $- 2$ ）²）	0.335 62	0.356 38
	铰链5、铰链6		N（0.305，（0.305×10 $- 2$ ）²）	0.314 15	0.295 85
	铰链1、铰链2	轴套	N（0.34，（0.34×10^-2）²）	0.3502	0.3298
	铰链3、铰链4		N（0.34，（0.34×10 $- 2$ ）²）	0.3502	0.3298
	铰链5、铰链6		N（0.34，（0.34×10 $- 2$ ）²）	0.3502	0.3298
磨损率/（m²∙N $- 1$ ）	铰链1、铰链2		N（5.22×10 $- 14$ ，（5.22×10 $- 16$ ）²）	5.3766×10 $- 14$	5.0634×10 $- 14$
	铰链3、铰链4		N（5.85×10 $- 14$ ，（5.85×10 $- 16$ ）²）	6.0255×10 $- 14$	5.6745×10 $- 14$
	铰链5、铰链6		N（5.22×10 $- 14$ ，（5.22×10 $- 16$ ）²）	5.3766×10^-14	5.0634×10^-14

表3 其他变量分布

Tab.3 Distribution table of other variables

变量	分布	截尾上限	截尾下限
弹性系数/（N∙m $- 1$ ）	N（500，5²）	515	485
铰链1、铰链2的摩擦因数	N（0.2，0.002²）	0.206	0.194
铰链3、铰链4的摩擦因数	N（0.27，0.0027²）	0.2781	0.2619
铰链5、铰链6的摩擦因数	N（0.2，0.002²）	0.206	0.194

表3 其他变量分布

Tab.3 Distribution table of other variables

变量	分布	截尾上限	截尾下限
弹性系数/（N∙m $- 1$ ）	N（500，5²）	515	485
铰链1、铰链2的摩擦因数	N（0.2，0.002²）	0.206	0.194
铰链3、铰链4的摩擦因数	N（0.27，0.0027²）	0.2781	0.2619
铰链5、铰链6的摩擦因数	N（0.2，0.002²）	0.206	0.194

图13 摇臂角度和角速度对比图

Fig.13 Comparison of rocker arm angle and angular velocity

图14 可靠性分析流程图

Fig.14 Flow chart of reliability analysis

图15 铰链的最大磨损值

Fig.15 Maximum wear value of the hinge

图16 铰链最大磨损值的概率分布

Fig.16 Probability distribution of the maximum wear value of the hinge

图17 铰链最大磨损值的累积分布

Fig.17 Cumulative distribution of the maximum wear value of the hinge

图18 考虑磨损的机构可靠度

Fig.18 Mechanism reliability considering wear

图19 铰链的角速度最大偏差值

Fig.19 Maximum angular velocity deviation of the hinge

图20 角速度最大偏差值的概率分布

Fig.20 Probability distribution of the maximum deviation value of the angular velocity

图21 角速度最大偏差值的累积分布

Fig.21 Cumulative distribution of maximum deviation values of angular velocity

图22 考虑机构不对称的可靠度

Fig.22 The reliability of the mechanism asymmetry is considered

表4 机构可靠度

Tab.4 Mechanism reliability table

机构运行周次	磨损可靠度	不对称可靠度	机构总可靠度
1000	1	1	1
			
62 000	1	1	1
63 000	0.9987	1	0.9987
64 000	0.9652	0.9989	0.9643
65 000	0.7587	0.9982	0.7573
66 000	0.4516	0.7690	0.2789
67 000	0.1927	0.1192	0.0301
68 000	0.0357	0.0165	0.0026
69 000	0.0041	0.0029	0
70 000	0	0	0

图23 考虑磨损和不对称的机构可靠性

Fig.23 Mechanism reliability considering wear and asymmetry

表5 灵敏度分析参数编号

Tab.5 Sensitivity analysis parameter number table

编号	参数名称	编号	参数名称	编号	参数名称
1	轴套宽度	11	铰链3、4磨损率	21	轴套5初始半径
2	铰链1、2轴套弹性模量	12	铰链5、6轴套弹性模量	22	轴套6初始半径
3	铰链1、2轴弹性模量	13	铰链5、6轴弹性模量	23	连杆加工角度
4	铰链1、2轴套泊松比	14	铰链5、6轴套泊松比	24	连杆前端长度
5	铰链1、2轴泊松比	15	铰链5、6轴泊松比	25	连杆总长度
6	铰链1、2 磨损率	16	铰链5、6 磨损率	26	弹簧弹性系数
7	铰链3、4轴套弹性模量	17	轴套1初始半径	27	摇臂前端长度
8	铰链3、4轴弹性模量	18	轴套2初始半径	28	铰链1、2 摩擦系数
9	铰链3、4轴套泊松比	19	轴套3初始半径	29	铰链3、4 摩擦系数
10	铰链3、4轴泊松比	20	轴套4初始半径	30	铰链5、6 摩擦系数

图24 磨损失效参数均值灵敏度和标准差灵敏度

Fig.24 Mean sensitivity and standard deviation sensitivity of wear failure parameters

图25 摇臂角速度不对称参数均值灵敏度和标准差灵敏度

Fig.25 Mean sensitivity and standard deviation sensitivity of angular velocity asymmetry parameter of rocker arm

图26 实验现场及铰链A处的磨损

Fig.26 Experimental field diagram and the wear at hinge A

图27 轴承磨损分布（模拟72 000次）

Fig.27 Bearing wear distribution diagram （simulation of 72 000 times）

图28 轴承磨损分布实际结果（104 000次实验）（104 000 tests）

Fig.28 Actual results of bearing wear distribution

图29 不同周次后最大磨损值概率密度函数

Fig.29 Images of the probability density function of the maximum wear value after different periods

图30 不同周次下仿真与实验的磨损程度在比较

Fig.30 Comparison of simulated and experimental wear levels at different periods

图31 仿真结果与实验结果的可靠度比较

Fig.31 Reliability comparison between simulation results and experimental results

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考虑竞争失效与多源不确定性的扑翼飞行器驱动机构可靠性分析

Reliability Analysis for Driving Mechanisms of Flapping-wing Aircrafts Considering Competitive Failure and Multi-source Uncertainty

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