基于概率有限元的大飞机运输工装夹具可靠性分析
详细信息    本馆镜像全文|  推荐本文 |  |   获取CNKI官网全文
摘要
随着经济全球化和制造业的迅猛发展,大型结构物或组装部件经常在洲际间跨大洋进行长时间的海上运输,为了能够保证结构或部件运输的稳定和安全,其海运工装夹具在规定的可靠性要求下达到技术性能指标、制造成本和使用寿命最优,有必要运用先进的分析手段,借助计算机仿真技术,对海运工装夹具进行可靠性分析和验证。
     本文通过广泛调研,以某大型飞机部件运输工装夹具为模型,建立了模拟海运工况下的有限元模型,并对工装夹具不同部件的连接采用接触有限元进行了模拟,分析了不同船型条件下夹具结构的强度。根据结构可靠性理论和概率有限元方法,编制了该海运工装夹具结构的概率有限元分析文件,使用响应面法(RES)和蒙特卡罗模拟法(MC)计算分析其结构的可靠性,得到相关参数信息。本文意在探索针对海运工装夹具结构强度进行概率设计和可靠性分析的方法,以便为大型飞机部件海运工装夹具强度设计提供参考和改进建议。
     本文主要内容:
     1介绍了结构可靠性的基本理论和分析方法以及有限元软件中使用的可靠性分析的方法和原理。
     2建立了某大型飞机后机身海运工装夹具有限元模型,模拟海运工况条件下进行了针对不同船型的确定性强度分析,并对其设计提出改进建议。
     3采用参数化建模方法,建立了大型飞机后机身海运工装夹具的概率有限元模型;编制适用于可靠性分析的概率分析文件;根据大飞机海运工装夹具设计规范中的极限载荷,计算工装夹具结构(在一定概率下)的可靠性参数信息,包括失效概率、可靠度、可靠性安全系数、灵敏度等。
     4采用响应面法对上述海运工装夹具进行了可靠性分析,并用蒙特卡罗模拟法进行了验证,分析误差。结果表明:采用响应面法对大型复杂海运工装夹具结构进行可靠性分析具有较好的精度,且有计算量小、耗时少等优点。本文以某大型飞机部件海运工装夹具为例,对强度进行了确定性分析和可靠性分析,采用传统的许用应力法和符合实际的概率强度分析法,针对海运工况,得出该结构强度是安全和可靠的结论。探索了对大型复杂结构或装配结构进行整体可靠性分析的方法,通过比较响应面法和蒙特卡罗模拟法的分析数据结果,表明采用响应面法来分析海运工装夹具等复杂结构是可行的。
With economic globalization and the rapid development of manufacturing, large structures or components have been transported between continents or oceans. In order to ensure the stability and security of the structures or components during the transportation and their clamping fixture to have the best optimization of technology performance, manufacturing costs and optimum service life under the reliability requirements, it is necessary to apply advanced analytical tools, the use of computer simulation technology to do the reliability of structures analysis and verification. After extensive research, a large clamping fixture model of aircraft has been set up to simulate the marine operating conditions and the model with the contact processed has been simulated and analyzed the strength under different strength conditions. Then based on probabilistic finite element and structural reliability theory, the probability analysis document is written for further analysis. The response method and Monte Carlo simulation method are used to do the reliability analysis. Many relevant parameters are obtained to summarize the general process of structural reliability design and analysis. The results can provide reference for the project and some suggestions for improvement. Main contents:
     1 The basic theory of structural reliability analysis methods and finite element software used in the reliability of the methods and principles have been introduced
     2 Back fuselage finite element model of clamping fixture is established. Certainty strength analysis is finished under the simulation marine conditions on different ship types and some improvements are recommended.
     3 Parametric modeling method is used to set up the probabilistic finite element model. Then the probability document for the reliability analysis is written. The structure is calculated under the limit load from design specification (some probability) and the parameter information, including the failure probability, reliability, reliable safety factor, sensitivity etc. ,are achieved.
     4 Response method and Monte Carlo method are compared and analytical error is analyzed. It is obtained that response methodology for complex reliability analysis of marine structure has good precision , less computation times and time-saving advantages .
     This article takes a large aircraft components clamping fixture as an example to finish certainty strength analysis and reliability analysis, uses the traditional allowable stress method and realistic probability analysis method to get the conclusions that the structure is safe and reliable. The way to solve the reliability problem of complicated structure is explored by comparing the response surface method and Monte Carlo simulation data results. Response surface method will be used widely between more complex structures because of the advantage and it is feasible.
引文
[1] M F A. The safety of structures,ASCE Trans[Z]. 1947125-129.
    [2]吕震宙,冯蕴雯.结构可靠性问题研究的若干进展[J].力学进展. 2000(01).
    [3]贡金鑫,赵国藩.国外结构可靠性理论的应用与发展[J].土木工程学报. 2005(02).
    [4]拓耀飞,李少宏.论结构可靠性的发展[J].榆林学院学报. 2006(04).
    [5] Stefanou G. The stochastic finite element method: Past, present and future George Stefanou1, a,[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2007, 198(3): 1031-1051.
    [6]秦权.国际结构可靠性研究动态[Z]. 200722-24.
    [7]贡金鑫,仲伟秋,赵国藩.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(1)[J].建筑结构学报. 2002(04).
    [8]贡金鑫,仲伟秋,赵国藩.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(2)[J].建筑结构学报. 2002(05).
    [9]贡金鑫,仲伟秋,赵国藩.工程结构可靠性基本理论的发展与应用(3)[J].建筑结构学报. 2002(06).
    [10]崔海涛,温卫东.随机有限元法及其工程应用[J].南京航空航天大学学报. 2000(01).
    [11]刘宁,吕泰仁.随机有限元及其工程应用[J].力学进展. 1995(01).
    [12]秦权.随机有限元及其进展──Ⅰ.随机场的离散和反应矩的计算[J].工程力学. 1994(04).
    [13]秦权.随机有限元及其进展──Ⅱ.可靠度随机有限元和随机有限元的应用[J].工程力学. 1995(01).
    [14] Sudret B, der Kiureghian A. Comparison of finite element reliability methods Bruno Sudret, , a and Armen Der Kiureghian, b[J]. Probabilistic Engineering Mechanics. 2002, 32(2): 145-153.
    [15]刘正兴,正劲松.随机有限元在结构可靠性分析中的应用[J].上海交通大学学报. 1994(01).
    [16]姚继涛.现存结构可靠性评定方法的进展——国际标准《结构设计基础——现存结构的评定》ISO13822:2001(E)综述[J].工业建筑. 2005(02).
    [17]贡金鑫,赵国藩.串联结构体系可靠度的二元泰勒级数展开[J].计算力学学报. 1997(01).
    [18]贡金鑫,赵国藩.并联结构体系可靠度的二次算法[J].工程力学. 1998(04).
    [19]贡金鑫,赵国藩.结构体系可靠度分析中的最小方差抽样[J].工程力学. 1997(03).
    [20]张崎,李兴斯.结构可靠性分析的模拟重要抽样方法[J].工程力学. 2007(01).
    [21]黄斌,刘军,赵毅.基于递推随机有限元法的结构可靠度指标计算[J].华中科技大学学报(城市科学版). 2008(04).
    [22]王丹,张钰,蒋国锋.一种新的概率有限元计算法[J].机械设计与制造. 2000(01).
    [23]邓建,边利,彭怀生.一种新的蒙特卡罗随机有限元方法[J].中南大学学报(自然科学版). 2006(05).
    [24]沈永春,俞晓正.一种求解结构可靠度的新型计算方法[J].船舶力学. 2007(04).
    [25] Xu H, Rahman S. Decomposition methods for structural reliability analysis H. Xu and S. Rahman, ,[J]. Probabilistic Engineering Mechanics. 2005, 75(8): 2062-2086.
    [26] Papadopoulos V, Papadrakakis M. Stochastic finite element-based reliability analysis of space frames Vissarion Papadopoulos and Manolis Papadrakakis[J]. Probabilistic Engineering Mechanics. 1998, 13(1): 53-65.
    [27]刘小渝,王俊杰.框架可靠度计算的新方法[J].重庆交通大学学报(自然科学版). 2007(04).
    [28] Mellah R, Auvinet G, Masrouri F. Stochastic finite element method applied to non-linear analysis of embankments R. Mellaha, G. Auvinetb and F. Masrouri, , a[J]. Probabilistic Engineering Mechanics. 2000, 15(3): 251-259.
    [29]林道锦,秦权.一座现有拱桥面内失稳的可靠度随机有限元分析[J].工程力学. 2005(06).
    [30]吴立言,刘更,王步瀛.齿轮可靠度计算的概率有限元法——第Ⅰ部分:基于齿根弯曲疲劳强度的计算[J].机械传动. 1992(02).
    [31]吴立言,刘更,王步瀛.齿轮可靠度计算的概率有限元法(第Ⅱ部分:齿面接触疲劳强度的计算)[J].机械传动. 1993(03).
    [32]董聪,何庆芝.随机疲劳累积损伤可靠性分析模型[J].北京航空航天大学学报. 1995(02).
    [33]董聪,何庆芝.自洽型随机疲劳累积损伤可靠性分析模型[J].机械强度. 1995(01).
    [34]孟广伟,李锋,赵云亮.基于随机有限元法的疲劳断裂可靠性分析[J].吉林大学学报(工学版). 2006(S1).
    [35]雒卫廷,陈建军,胡太彬.基于完全概率的随机桁架固有频率的可靠性分析[J].振动与冲击. 2006(03).
    [36]宋笔锋,李为吉,吉国明.大型结构可靠性优化设计的大系统方法[J].力学进展. 2000(01).
    [37]程心恕,苏燕,程旭日.基于随机有限元的结构优化设计[J].福州大学学报(自然科学版). 1999(03).
    [38]马洪波,陈建军,马孝松.基于体系可靠性的随机桁架结构优化设计[J].西安电子科技大学学报. 2005(04).
    [39]马洪波,陈建军,张建国.随机参数天线结构的概率优化设计[J].应用力学学报. 2005(03).
    [40] Lee B W *, Lim O K. Application of stochastic finite element method to optimal design of structures Byung Woo Leea, * and O Kaung Lima[J]. Computers & Structures. 1998, 68(5): 491-497.
    [41] Castillo E, Mcnguez R, Castillo C. Sensitivity analysis in optimization and reliability problems Enrique Castilloa, , , Roberto MCnguezb, and Carmen Castilloc,[J]. Reliability Engineering & System Safety. 2008, 70(3): 295-301.
    [42] Reh S. Probabilistic finite element analysis using ANSYS[Z]. Jean-Daniel Beley S M E H. 2006: 28, 17-43.
    [43]涂宏茂,程颖. ANSYS下齿轮弯曲强度可靠性分析[J]. CAD/CAM与制造业信息化. 2005(12).
    [44]冯桢,于涛,郭培燕.基于ANSYS/PDS模块的油缸可靠性设计[J].煤矿机械. 2006(11).
    [45]彭惠芬,刘巨保.基于ANSYS软件的泵轴可靠性设计[J].石油工业技术监督. 2006(10).
    [46]王明强,朱彤.应用ANSYS概率有限元法的连杆结构强度可靠性分析[J].现代制造工程. 2008(03).
    [47]滕志辉,白广忱.某型发动机压气机轮盘结构可靠性分析[J].航空发动机. 2006(02).
    [48]熊铁华,常晓林.基于响应面的三维随机有限元法在大型结构可靠度分析中的应用[J].武汉大学学报(工学版). 2005(01).
    [49]陈建康,朱殿芳,赵文谦.基于响应面法的地下洞室结构可靠度分析[J].岩石力学与工程学报. 2005(02).
    [50]包伟,叶继红.响应面法预测单层球壳简单动荷载下的破坏形式[J].计算力学学报. 2009(04).
    [51]于英霞,李雪玲,张伟.基于响应面法的带肋圆柱壳结构强度可靠性分析[J].船舶力学. 2009(04).
    [52]桂劲松,康海贵.结构可靠度分析的响应面法及其Matlab实现[J].计算力学学报. 2004(06).
    [53]刘宁,郑建清.工程随机力学与工程可靠性中的若干问题(上).河海大学学报.1999.27(5):1~9
    [54]刘宁.工程随机力学与工程可靠性中的若干问题(下).河海大学学报.2000.28(1):1~9
    [55] Peng X Q,Wu L Y and Liu G.Stochastic finite element method for reliability analysis with geometry randomness considered.J.of Northwestern Polytechniacl Univ.1996.14(1):116~120
    [56]贡金鑫赵国藩金伟良.结构可靠度理论[M].北京:中国建筑工业出版社, 2000: 12.
    [57]中华人民共和国建设部,GB50068-2001,建筑结构可靠度设计统一标准[S]
    [58]朱文予.机械概率设计与模糊设计[M].北京:高等教育出版社,2001:37-44
    [59]刘宁著.《可靠度随机有限元法及其工程应用》[M]. 2001.
    [60] B.Caillard,S.Boutrouelle.中国FAL单通道空客运输夹具技术标书[Z].中国天津:LATecis,2007
    [61]刘刚.薄壁缺陷结构及其可靠性与安全性.北京:人民交通出版社,2002年10月:P156
    [62]李桂青.结构可靠度.武汉:武汉工业大学出版社,1989
    [63] R.E.MELCHERS.Structural Reliability Analysis and Prediction.ELLIS HORWOOD LIMITED, Chichester England,1987
    [64]Galambos,T.V,Ravindra,M.K.. Properties of steel for use in LRFD. J. Struct. Div., ASCE, 104, NO.ST9,pp.1459-1468,1978S

© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号

地址:北京市海淀区学院路29号 邮编:100083

电话:办公室:(+86 10)66554848;文献借阅、咨询服务、科技查新:66554700