基于有限元的结构可靠性分析与设计
摘要
随着科学技术的发展,传统的安全系数设计方法已经不能满足要求,以概率论和数理统计为基础的现代可靠性设计方法成为取代传统机械方法一种发展的趋势。
由于实际机械的复杂性,在进行可靠性设计时,采用随机有限元分析方法与可靠性理论相结合,能有效的计算出结构的失效概率和可靠度。弥补传统设计方法的不足之处。本文简要介绍了基于随机有限元法的结构可靠性设计方法,并利用有限元分析软件中的概率设计模块对龙门起重机的主梁进行了可靠性分析。
论文首先在深入研究国内外有关文献资料的基础上,概述了国内外现代可靠性的研究的历史和现状、存在的问题以及可靠性设计的基本内容,然后,介绍了可靠性分析的基本方法,有随机抽样法、解析法、混合法和随机有限元法。其中解析法又包括直接积分法、一次二阶矩法、响应面法和改进均值法。并总结了各种方法的特点、缺陷以及适用情况等。重点介绍了随机有限元法,随机场的表示方法及其可靠度的相关内容,为后面的基于有基于有限元的可靠性分析过程打下了理论基础。
最后,在实际工程应用方面,论文从起重机金属结构的安全性评价出发,结合前面研究的可靠性分析方法和理论,在充分考虑起重机工作期间各种不确定因素的基础上,利用基于蒙特卡洛法和有限元技术对100t龙门起重机的主梁进行了可靠性分析和探讨,证实了利用ANSYS中的概率设计模块对结构进行可靠性分析的可行性和实用性。
As the development of the technology, traditional safety factor design can not meet the need in engineering. The modern probabilityof reliability design which base on the probability theory and mathematical statistics become the trend of development.
As the metal structure is complicated,when designing with probability of reliabi-lity,we can use the stochastic finite element method and probabilityof reliability theory,which can caculate the failure probability and reliability. It makes up the imperfection of designing.The article introduces the probabilityof reliability method base on the stochastic finite element,and analyse the reliability of beam of the gantry crane using the PDS modules in ANSYS.
First,the article introduced the reliability theory of the current situation and the past at home and abroad、the existing problem and the basic content of the probab-ility of reliability design base on the document,and then brief provide information of the basis method of probabilityof reliability design.It has random sampling method、analytic method、mixing method、SFEM,and analytic method includes immediate integration method、first order second moment、response surface methodology and improved distribution mean method.Also I summarize the features and defects of all the method in addition to the using situation.I focus on the key point to SFEM、presentation of random field and the relevantcontent of fiduciary level.It set a theory ase for the analyse of probability of reliability.
At last,in the engineering practical application, the article set out from the safety evaluation of the metal structure of gantry crane,analying the probability of reliabilit-y of the beam of the gantry crane with Monte-Carlo technology base on the current probabilityof reliability theory and method,considering all the uncertain factors of the gantry crane during the working period,and prove the easibility and practicability of analysing the reliability in ANSYS PDS modules.
由于实际机械的复杂性,在进行可靠性设计时,采用随机有限元分析方法与可靠性理论相结合,能有效的计算出结构的失效概率和可靠度。弥补传统设计方法的不足之处。本文简要介绍了基于随机有限元法的结构可靠性设计方法,并利用有限元分析软件中的概率设计模块对龙门起重机的主梁进行了可靠性分析。
论文首先在深入研究国内外有关文献资料的基础上,概述了国内外现代可靠性的研究的历史和现状、存在的问题以及可靠性设计的基本内容,然后,介绍了可靠性分析的基本方法,有随机抽样法、解析法、混合法和随机有限元法。其中解析法又包括直接积分法、一次二阶矩法、响应面法和改进均值法。并总结了各种方法的特点、缺陷以及适用情况等。重点介绍了随机有限元法,随机场的表示方法及其可靠度的相关内容,为后面的基于有基于有限元的可靠性分析过程打下了理论基础。
最后,在实际工程应用方面,论文从起重机金属结构的安全性评价出发,结合前面研究的可靠性分析方法和理论,在充分考虑起重机工作期间各种不确定因素的基础上,利用基于蒙特卡洛法和有限元技术对100t龙门起重机的主梁进行了可靠性分析和探讨,证实了利用ANSYS中的概率设计模块对结构进行可靠性分析的可行性和实用性。
As the development of the technology, traditional safety factor design can not meet the need in engineering. The modern probabilityof reliability design which base on the probability theory and mathematical statistics become the trend of development.
As the metal structure is complicated,when designing with probability of reliabi-lity,we can use the stochastic finite element method and probabilityof reliability theory,which can caculate the failure probability and reliability. It makes up the imperfection of designing.The article introduces the probabilityof reliability method base on the stochastic finite element,and analyse the reliability of beam of the gantry crane using the PDS modules in ANSYS.
First,the article introduced the reliability theory of the current situation and the past at home and abroad、the existing problem and the basic content of the probab-ility of reliability design base on the document,and then brief provide information of the basis method of probabilityof reliability design.It has random sampling method、analytic method、mixing method、SFEM,and analytic method includes immediate integration method、first order second moment、response surface methodology and improved distribution mean method.Also I summarize the features and defects of all the method in addition to the using situation.I focus on the key point to SFEM、presentation of random field and the relevantcontent of fiduciary level.It set a theory ase for the analyse of probability of reliability.
At last,in the engineering practical application, the article set out from the safety evaluation of the metal structure of gantry crane,analying the probability of reliabilit-y of the beam of the gantry crane with Monte-Carlo technology base on the current probabilityof reliability theory and method,considering all the uncertain factors of the gantry crane during the working period,and prove the easibility and practicability of analysing the reliability in ANSYS PDS modules.
引文
[1]陈亮.基于有限元法的结构可靠性设计[D]：[硕士学位论文].南京：东南大学,2006
[2]芮延年,傅戈雁.现代可靠性设计.北京：国防工业出版社,2007.4
[3]董聪.现代结构系统可靠性理论及应用[M].北京：科学出版社,2001
[4]王小慧.基于有限元方法结构模糊可靠性应用研究.[D]：[硕士学位论文].四川：西南交通大学,2007
[5]周巳辰.基干蒙特卡罗有限元法的钢网架可靠性分析探讨[D]：[硕士学位论文].内蒙古：内蒙古农业大学,2009
[6]王金诺,于兰峰.起重运输机金属结构[M].中国铁道出版社,2002
[7]安伟光,蔡阴林.随机结构系统可靠性分析与优化设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2005
[8]博弈创作室.ANSYS经典产品高级分析技术与实例详解[M].中国水利水电出版社,北京,2005.1
[9]何国伟.可靠性设计[M].北京：机械工业出版社,1993,8
[10]武清玺.结构可靠性分析及随机有限元法[M].北京：机械工业出版社,2005
[11]金星.洪延姬,沈怀荣.可靠性数据计算及应用[M].北京：国防工业出版社,2003.
[12]蒋仁言.左明健.可靠性模型与应用[M].北京：机械工业出版社,1999
[13]吴世伟.结构可靠性分析[M].北京：人民交通出版社,1990
[14]赵松年.现代设计方法[M].北京：机械工业出版社,1996
[15]上山忠夫.结构可靠性[M].北京：机械工业出版社,1988,12
[16]黄祥瑞.可靠性性工程[M].北京；清华大学出版社,1990,10
[17]格涅钦科.可靠性数学理论问题[M].北京：兵器工业出版社,1990,1
[18]顾履平,冯锡曙.实用可靠性技术[蝴.北京：机械工业出版社。1992,11
[19]高镇同,熊峻江.疲劳可靠性[M].北京：北京航空航天大学出版社,2000.
[20]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社,1997.3
[21]Klaus Jurgen Bathe. FINITTE ELEMENT PROCEDURES[M]. Prentice-Hall Inc。 NewJersey, United States of America,1982
[22]Javier Bonet. Richard D Wood. NONLINERA CONTINUUM MECHANICS FOR FINITE ELEMENT ANALYSIS. CA.RIDGE UNIVERSITY PRESS[M]. United Kingdom,1997
[23]博嘉科技.有限元分析软件-ANSYS融会与贯通[M].北京：中国水利水电出版社,2002东南大学硕士论文
[24]ABAQUS/Standard User's Manual. HgS Inc.2005
[25]ANSYS. ANSYS 8. I Documentation. ANSYS. Inc.2004
[26]UGS. I-DEAS 11 Help Library. UGS. Inc.2004
[27]李响铸.基于ANSYS软件PDS模块机械零件状态函数灵敏度分析[D]：[硕士学位论文].吉林：吉林大学,2006
[28]陈风熹.机械产品可靠性设计与分析技术研究[D]：[博士学位论文].沈阳：东北大学,2003
[29]蔡克霞.压力容器的机械强度可靠性分析[D]：[硕士学位论文].西安：西南交通大学,2001
[30]张钰.机械传动系统可靠性、零件概率有限元法和软件集成的研究[D]；[博士学位论文].沈阳：东北大学,2001
[31]王慧颖.机械产品可靠性评估方法研究[D]：[硕士学位论文].长沙；国防科学技术大学,2000
[32]贡金鑫.结构可靠性模拟的方向重要抽样法[J].计算力学学报,2003(12)：655-661
[33]粱前超.柴油机喷油器的有限元计算与可靠性提高[J].内燃机工程,2003(2)：80-82
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[58]Shinozuka M. Deodatis G. Response variability of stochastic finite element systems. J.E-ngng.Mech., ASCE.114.3.(1988):499-519
[59]Yamazaki F, Shinozuka M, Dasgupta Cx Neumann expansion for stochastic finite element analysis. J. Engng. Mech., ASCE,114.8 (1988):1335-1354
[60]Der Kiureghian A, Ke BJ. The stochastic finite element method in structural reliability. Journal of Probabilistic Engineering Mechanics 1988,3(2):83-91
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[62]赵国藩,曹居易,张宽权.工程结构可靠度[M].北京：水利水电出版社,1984
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