基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征. 为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响, 利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模. 在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响. 最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响. 上述结果可以为结构优化提供技术支持.      

基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征.为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响,利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模.在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响.最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响.上述结果可以为结构优化提供技术支持.     

基于代理模型的箭体连接结构极值响应分析与优化

螺栓法兰连接结构在航空航天等工程领域中广泛应用,其力学性能在不同工况和装配情况下十分复杂。由于拉压刚度差异,含连接结构的箭体动力学响应呈现明显的非线性特征。因此,考虑不同连接参数及工况下的连接非线性动力学响应,对结构优化设计有着重要意义。本文针对以双线性弹簧表征螺栓法兰连接非线性的箭体等效动力学模型,基于径向基函数(RBF)神经网络和响应面法分别建立其连接面处的极值响应代理模型,对比发现RBF神经网络模型在较高精度上可以实现对动响应极值的预测及分析;同时分析了不同载荷参数及刚度变化对连接结构动响应极值的影响;最后,利用RBF神经网络代理模型,开展了连接面加速度极值响应与螺栓弹簧力最小化为目标的连接结构参数优化。     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

球形爆炸容器法兰联接螺栓的应变增长现象

本文在球形爆炸容器法兰连接螺栓的动态响应实验研究中,发现了法兰螺栓的应变增长现象。以实验数据为基础,通过数值模拟对螺栓发生应变增长的原因进行分析。研究结果表明:受到开口结构的影响,端盖螺栓受到的压力载荷强度较容器内壁大幅增强。螺栓的应变增长是被增强压力载荷的前2个周期与结构响应形成共振时引发的,通过改变端盖质量、预紧力大小可以避免螺栓发生应变增长。     

强脉冲载荷作用下端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法

为研究承受强脉冲载荷的端盖法兰结构的螺栓预紧力设计方法,利用实验室霍普金森杆平台,基于液压原理设计了一套实验装置,并结合数值模拟结果,对强脉冲载荷下端盖法兰结构的动态响应进行研究。通过研究发现:由预紧力和脉冲载荷引起的螺栓总拉伸应变随载荷峰值变化的曲线上存在最小极值点,并总结了最小极值点随载荷峰值、载荷脉宽的变化规律,为强脉冲载荷下法兰结构和预紧力设计提供了依据。     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

含剪力销(锥)螺栓法兰连接结构非线性特性

连接结构广泛应用于航空航天、化工装备和核电站等大型工业装备中。对于轴弯剪组合作用下的连接结构,需要螺栓、法兰和剪力销的联合工作以抵抗外力。本文针对含剪力销(锥)的螺栓法兰连接结构的动力学问题开展研究,将该类结构抽象为三自由度的质量-双线性弹簧系统,建立非线性动力学模型的数学列式,并进行数值求解。重点研究该系统在横向冲击(剪力)下的动力学特性。通过理论分析与数值计算,指出该非线性系统存在3个方向自由度全耦合的振动现象,并阐述该系统自由度的解耦条件;对纵向振动与横向错动的耦合振动频率关系进行讨论并分析其相互联系;研究剪力销倾角对螺栓最大轴向拉力的影响规律并给出关系曲线,指出其最佳设计角度区间。     

应用响应面方法结合空间映射方法的可靠性评价

应用响应面结合空间映射方法,在第1次迭代拟合极限状态函数,其它迭代 应用映射技术在第1迭代响应面基础上映射调整得到新的极限状态函数,并进行可靠性分析. 这样就改变了序列响应面方法评价可靠性时需要反复对模型进行试验设计、分析并拟合极限状 态函数的执行过程,从而大大降低了模型分析的计算量.     

高锁螺栓连接件动态拉伸响应与失效机理

飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义，而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理，基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料（2024-T3和7050-T7451）的单钉单搭接连接件，利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度（0.01、0.10、1.00和3.00 m/s）下的拉伸测试，得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律，并分析了连接件的失效机理。结果表明，连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大，而受加载速度影响较小；当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时，2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%，7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。     

联合极限状态下基于最大熵可靠度的易损性分析

考虑工程需求参数(EDP)的前四阶矩,提出基于最大熵可靠度理论的地震易损性分析方法.基于SAP2000建立钢筋混凝土框剪模型,选择最大层间位移角和最大层加速度衡量结构的联合性能极限状态,建立极限状态方程.不对EDP的分布进行人为假定,在不同峰值加速度(PGA)下计算两种EDP的前四阶矩,并作为约束条件,建立极限状态方程...     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

A NEW TWO-POINT ADAPTIVENONLINEAR APPROXIMATION METHOD FOR RELIABILITY ANALYSIS

I. INTRODUCTION Reliability analysis is becoming increasingly important in structural design. Over the years, manyresearchers have been involved in the evaluation of failure probability and many methods have beenpresented for structural reliability anal…     

Structure buckling hybrid reliability analysis of a supercavitating projectile using a model with truncated probability and multi-ellipsoid convex set uncertainties

Structure buckling problems for supercavitating projectiles are often observed in high underwater velocity operating conditions. As a result, it is necessary to perform a structure buckling reliability analysis. It is common that \hboxprobabilistic and nonprobabilistic uncertainty information exist simultaneously. Also, it is reasonable that probability distributions of most random variables in engineering are treated as truncated probability distributions. In this paper, a new hybrid model is proposed, which deals with structure performance function with both truncated probability distribution variables and multi-ellipsoid convex set variables. The model discussed here is adapted for two separate cases in the standard super-sphere space, i.e., limit state surface interferences with a unit super-sphere region or not. The hybrid reliability index is calculated using a modified limit step length iteration algorithm to ensure convergence. Good convergence and validity of the iteration algorithm are verified using numerical examples with highly nonlinear structure performance function. The hybrid model is applied to the structure buckling hybrid reliability analysis of a supercavitating projectile. Results show that structure buckling hybrid reliability index increases with the increase in the ratio of base diameter to cavitator diameter, and decreases with the increase of initial launch velocity. Also, uncertainty degree of cavitator drag coefficient and initial launch velocity should be controlled in demonstration for high structure buckling reliability of supercavitating projectiles.     

两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究

针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺栓连接形式,基于有限元静刚度计算、动力学简化建模、冲击响应特性分析及结构冲击试验,系统研究了两种连接形式的轴向刚度特性及其对动力学冲击响应的影响.有限元静刚度分析揭示了法兰对接与径向套接的轴向拉压刚度分别是非对称的和对称的,而法兰对接的平均刚度更大.之后,为两种连接形式建立了统一的动力学模型,证明非对称的轴向拉压刚度导致结构在受到横向载荷作用时会产生附加的耦合轴向振动,并且利用高精度幂函数拟合刚度跳变,得到耦合轴向振动频率是弯曲振动频率的二倍的结论.最后,通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二倍频的耦合轴向振动,而径向套接则不存在该耦合振动.径向套接虽然一阶频率较低,但阻尼效果更好.     

基于Kriging模型的结构可靠性分析

在结构极限状态方程(LSF)未知的情况下,通常采用响应面法(RSM)模拟结构的极限状态方程,逐步修正求解。由于响应面法对于极限状态方程的多项式假定,使其在计算精度上存在一定的缺陷。本文通过随机选取的部分结构响应,采用K rig ing模型模拟未知状态的结构响应,然后附以最优化的方法求解可靠性指标。该方法突破了极限状态方程的形式对于可靠性计算的制约,避免数学表达式的不同对于可靠性计算的影响。通过数值算例,可以看到本文的方法具有较高的精度和稳定性。     

一种概率-区间混合结构可靠性的高效计算方法

针对既有概率变量又有区间变量的混合不确定问题,构造了一种高效的结构可靠性分析方法。该方法将传统概率可靠性分析中的响应面方法引入混合模型的可靠性分析中,通过Bucher设计与梯度投影相结合的方法建立线性响应面,并采用一有效的解耦方法求解基于响应面建立的近似混合可靠性问题,通过迭代实现响应面更精确地近似真实极限状态函数。最后,通过两个算例验证了该算法的有效性。     

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基于计算结构力学理论与递推公式相结合的方法，推导出随机刚架结构在退化成机构 前各阶段的内力与结构处于初始状态时的内力关系. 因此，在基于随机有限元的可靠性分 析过程中，不必反复修改刚阵和进行反向节点力的增加，在极限状态函数对设计变量求导 过程中，导数形式只用到了原结构总刚度矩阵和原结构外载向量，这对编写电算程序是有 益的. 应用所提的方法与其它基于随机有限元的可靠性分析方法所求得的结果是一致 的，且大大提高了计算效率.