机械可靠性设计的虚拟变量算法

基于改进的一阶二次矩理论,针对单一设计变量问题,本文提出了确定结构可靠性设计参数的一种虚拟变量算法,方法优点是无需解域变换,无需人工计算失效函数的偏导数和无需解失效的极限状态方程,具有较为简便的计算形式和较高的计算效率,可方全地确定结构可靠性设计参数。     

基于FOSM法的预应力钢桁架系统可靠性分析

基于一次二阶矩法(FOSM)建立了索张拉预应力钢桁架任意单元失效模式可靠性指标的计算模型,并分别根据点估计法和窄界限法得到了整体结构失效概率的计算公式,随机内力统计特性-均值和标准差则根据随机摄动理论确定.该计算模型中的基本随机参数包括任意折线索单元和桁架单元的截面面积 (或综合刚度) 、张拉钢索的预拉力、外荷载及弹性约束刚度等.利用本文计算模型编写的计算程序对工程中普遍采用的结构形式进行了可靠性分析,并对影响结果的有关参数进行了讨论,为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础.分析表明,窄限法得到的整体可靠性指标与点估计法(PNET)所确定的基本一致, 这是因为本文计算模型中各失效模式间的相关系数较小之故.此外,随机变量的相关性对预应力钢结构不同阶段可靠性指标有不同的影响,其中加载阶段影响更大.     

基于动态显式分析的复合材料盒段失效模拟

为了研究复合材料结构失效过程并为强度设计提供分析依据,对结构进行失效模拟。在静态隐式分析中,材料的失效和破坏常常导致严重的不收敛。针对复合材料多墙盒段结构,采用动态显式分析方法对弯曲载荷工况进行了试验模拟。壁板和墙均采用层壳元,在上壁板中面嵌入一层体元模拟层间失效,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,并进行渐进式失效分析。分析表明,动态显式分析避免了不收敛问题,能比较准确地模拟复合材料盒段的失效过程,无论是应变、屈曲载荷、破坏载荷,还是破坏形式,分析结果均与试验结果吻合较好,屈曲载荷、破坏载荷的预测值与试验结果误差在7%以内。表明本文方法可以满足工程设计和分析要求。     

结构可靠度的虚拟变量算法

从与结构失效函数有关随机变量均值和协方差的确定性特征出发 ,提出了准确计算结构可靠度的一种虚拟变量算法。使用虚拟变量算法时 ,只需给出失效函数就能正确算出结构的可靠度。由于无需人工确定失效函数的偏导数 ,计算较为简单 ,当失效函数形式复杂、与失效函数有关随机变量较多时 ,可使计算效率得到显著提高     

A NEW METHOD OF IDENTIFYING MAIN FAILURE MODE ABOUT TRUSS STRUCTURE

在对现有两大类主要失效模式识别方法进行深入分析基础上, 针对保留的候选失效元并非都是组成失效模式必备单元的问题展开研究. 利用结构力学基本理论, 分析了单元失效对残余结构内力影响规律, 并推导了其关系式;通过该关系式, 证明了具有相同基本失效单元的失效模式间线性相关;结合概率论相关理论, 得出主要失效模式一定只包含基本失效单元的结论, 由此证实了组成主要失效模式的必备单元就是基本单元;基于结构几何构造分析理论, 分析了结构体系的失效形式, 讨论了形成结构体系失效的基本单元范围;进而采用对结构进行逐步搭建的思想, 建立了基本单元最小存在范围的划分方法;与分支限界法结合提出一种新的桁架结构主要失效模式识别方法;通过算例分析, 证实该方法合理有效, 且具有较高识别效率, 同时能保证不遗漏主要失效模式.     

全螺栓装配式钢框架外挂轻质墙板有限元分析

基于一体化轻质保温装饰墙板全螺栓装配式钢框架的抗震性能试验研究,本文采用商业有限元软件ABAQUS对结构进行了精细化非线性有限元分析。研究了结构的滞回性能、结构能力、应力分布以及失效模式等,提出了在柱脚和龙骨间设置加劲肋的改进设计方案,并对诸如顶底L型件水平板和竖向板螺栓数量、加劲肋形式、结构高跨比以及轴压比等关键设计参数进行了拓展分析。结果表明,采用本文有限元建模方法能够精准地模拟试验的滞回性能,极限承载力与试验最大差值为8.86%,模型失效模式及应力分布与试验现象高度吻合;柱脚和龙骨间加劲肋使柱脚内外翼缘协同变形,减小翼缘局部屈曲,避免龙骨连接处焊缝的应力集中,显著提升了结构承载力;通过优化顶底L型件的螺栓数量和加劲肋形式等设计参数,可进一步提升结构能力;实际工程中应合理控制结构高跨比和轴压比,以满足抗震设防要求。     

含模糊变量和区间变量的结构可靠性优化设计方法

提出了基于能度可靠性理论的含模糊变量和区间变量的结构优化设计方法.运用能度可靠性理论建立了含模糊变量和区间变量的结构混合可靠性模型,采用结构的最大失效可能度作为混合模型的可靠性度量,给出最大失效可能度的计算方法,并以混合可靠性模型的最大失效可能度为约束条件建立了混合结构优化设计模型.实例计算表明了本文方法的有效性.     

冲击荷载下单层球面网壳的失效机理

为研究单层球面网壳在冲击荷载下的失效机理,在ANSYS/LS-DYNA中建立60m跨度K8型单层球面网壳与圆柱形冲击物的数值模型并进行数值分析,总结了网壳结构的4种失效模式。通过对失效全过程的分析,从能量的角度将失效过程分为能量施加、能量传递与损失、能量消耗3个阶段。之后分别从能量传递与杆件破坏形式2方面揭示了网壳的失效机理。能量分析表明:剩余能量(Elf)对结构最终动力响应及失效模式起决定作用,而Elf只是初始冲击能量中除去冲击物穿透损失与网壳局部破坏损失后的剩余部分。通过对杆件破坏形式的分析发现:杆件的破坏可能滞后于冲击荷载的作用,且杆件的破坏形式决定其传递能量的能力,当杆件发生拉伸破坏时,其强度被充分利用,传递的能量最多,Elf值较大,网壳整体破坏严重。杆件的破坏形式与Elf及网壳整体的失效模式间有很好的对应关系。     

失效相关下表决工程系统的可靠度

当工程系统受到单一随机干扰源（如：地震,飓风等）作用时（满足区域性和同时性假设）,系统的可靠性分析必须考虑结构间的失效相关性,文献[1-3]采用条件概率的方法解决了地震作用下串联和并联工程系统问题,在此基础上,本文针对一种普遍意义下的表工程系统,进一步提出了包括结构失效信息,结构安全信息和它们的混合信息下条件概率及其近似处理方法,并由此建立了考虑结构失效相关性时表决系统可靠度计算的一般过程,同时讨论了表决系统失效无关和失效全梓关两种极端情形,最后给出了求解算法和数值算例。     

AN IMPROVED RESPONSE SURFACE METHOD BASED ON THE RESONABLE SUBDOMAIN

基于结构可靠性分析理论,给出了合理子域概念.合理子域能够明确在设计点附近对失效概率起主要贡献区域尺寸,且能够保证失效点以一定概率落在其内,解决了对失效概率起主要贡献区域尺寸难以量化问题.基于合理子域概念,给出了一种改进响应面方法.该方法能够保证响应函数在设计点处是无误差的、且在合理子域内对极限状态函数具有较好近似.采取蒙特卡罗重要抽样方法求解失效概率,结合抽样点位置采取分区域评估方法以提高失效概率求解精度.算例表明,所提方法在处理具有显式和隐式极限状态函数的可靠性分析时,均具有较好的计算精度和较高的计算效率.     

精密及缺陷信息条件下的结构可靠性设计

概率方法一直以来被认为是处理不确定现象的最有效的方法.传统的概率可靠性模型建立在随机变量的分布函数基础上,需要较完整的数据信息.在结构设计问题中,有关载荷、抗力等影响因素的统计数据一般是稀少的或缺乏的,信息往往以非完整的形式出现.此外,结构的安全设计还需考虑结构和环境的相互作用,结构设计、分析、评价以及制作过程中可能存在的误差等,有些不确定因素不能归于随机性.因此,需要发展新的结构可靠性设计模型和方法,以克服传统的概率可靠性方法的局限和不足.本文对精密及缺陷信息条件下的可靠性设计模型和方法进行综述,内容包括随机可靠性设计模型与方法、非完整信息下的可靠性分析和设计、模型误差和主观不确定的影响、复杂系统优化求解策略、以及今后的研究展望.      

基于等几何分析的结构优化设计研究进展

结构等几何分析是计算固体力学领域一种新兴的数值方法,致力于将CAD（计算机辅助设计）和CAE（计算机辅助工程）纳入到统一的数学表达框架。等几何分析紧密联系几何信息,采用相同的数学表达将几何精确建模、结构分析和设计过程结合,为结构优化设计提供了新的选择和机会。相比基于有限元的结构优化方法,等几何优化设计方法可在一定程度上提高结构优化的精度、效率和便利性。本文针对具有代表性的结构等几何优化设计,包括形状优化、尺寸优化和拓扑优化等问题,系统梳理和综述了主要的等几何优化方法及其在结构优化设计中的应用。比较分析和评述了结构等几何优化设计方法的算法特点及计算优势与劣势,探讨了基于等几何分析的结构优化研究的前沿问题,并展望了未来的发展方向,包括：基于复杂剪裁CAD几何的高效等几何分析与优化设计、基于实体几何构造的结构等几何分析和优化设计、等几何分析与其他力学分析方法结合的结构优化、基于等几何分析的壳体优化设计、基于等几何分析的材料和结构一体化优化设计以及考虑不确定性的结构等几何优化设计等。     

Shape optimization and its extension to topological design based on isogeometric analysis

In most of structural optimization approaches, finite element method (FEM) has been employed for structural response analysis and sensitivity calculation. However, the approaches generally suffer certain drawbacks. In shape optimization, cumbersome parameterization of design domain is required and time consuming remeshing task is also necessary. In topology optimization, design results are generally restricted on the initial design space and additional post-processing is required for communication with CAD systems. These drawbacks are due to the use of different mathematical languages in design or geometric modeling and numerical analysis: spline basis functions are used in design and geometric modeling whereas Lagrangian and Hermitian polynomials in analysis. Isogeometric analysis is a very attractive and promising alternative to overcome the limitations resulting from the use of the conventional FEM in structural optimization. In isogeometric analysis, the same spline information such as control points and spline basis functions which represent geometries in CAD systems are also used in numerical analysis. Such unification of the mathematical languages in CAD, analysis and design optimization can resolve the issues mentioned above. In this work, structural shape optimization using isogeometric analysis is studied on 2D and shell problems. The proposed framework is extended to topology optimization using trimming techniques. New inner fronts are introduced by trimming spline curves in topology optimization. Trimmed surface analysis which was recently proposed to analyze arbitrary complex topology problems is employed for topology optimization. Some benchmarking problems in shape and topology optimization are treated using the proposed approach.     

现代结构系统可靠性分析理论发展概况及若干应用

本文概述了现代结构系统可靠性分析理论的发展历史、动向和存在的问题。简要分析了FTA和PISA两大工程可靠性分析学派所采用的分析方法的属性、特点和适用范围。从实用的角度出发,对目前欧美各国飞机、船舶、压力容器和民用建筑设计中广泛使用的细节可靠性分析与设计方法作了综合评介,并根据近年来的发展情况,对这门新兴学科未来的发展与应用前景作了粗线条的预测。      

Structural–acoustic sensitivity analysis of radiated sound power using a finite element/ discontinuous fast multipole boundary element scheme

The complete interaction between the structural domain and the acoustic domain needs to be considered in many engineering problems, especially for the acoustic analysis concerning thin structures immersed in water. This study employs the finite element method to model the structural parts and the fast multipole boundary element method to model the exterior acoustic domain. Discontinuous higher‐order boundary elements are developed for the acoustic domain to achieve higher accuracy in the coupling analysis. Structural–acoustic design sensitivity analysis can provide insights into the effects of design variables on radiated acoustic performance and thus is important to the structural–acoustic design and optimization processes. This study is the first to formulate equations for sound power sensitivity on structural surfaces based on an adjoint operator approach and equations for sound power sensitivity on arbitrary closed surfaces around the radiator based on the direct differentiation approach. The design variables include fluid density, structural density, Poisson's ratio, Young's modulus, and structural shape/size. A numerical example is presented to demonstrate the accuracy and validity of the proposed algorithm. Different types of coupled continuous and discontinuous boundary elements with finite elements are used for the numerical solution, and the performances of the different types of finite element/continuous and discontinuous boundary element coupling are presented and compared in detail. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

结构动力优化设计述评与展望

结构动力优化设计是当前工程结构设计研究领域中的前沿性课题。文中着重从结构动力特性优化、结构动力响应设计、结构动力灵敏度分析和基于可靠性的结构动力优化设计等四个专题方面对结构动力优化设计研究的发展与现状进行了述评,并粗略地展望了结构动力优化研究未来的发展趋势。      

考虑材料设计变量的热-固耦合结构的优化设计

从材料-结构协同设计的角度研究了热-固耦合结构的优化设计问题,将决定结构材料性质的细观参数与结构宏观几何参数作为设计变量,利用均匀化方法推导了细观设计变量灵敏度显式计算式,并结合耦合场有限元方程构造了耦合场设计变量灵敏度计算式;提出了材料-结构协同设计的三种优化设计模型.利用结构响应最小优化模型对算例进行了计算,比较了宏观设计变量优化和材料-结构协同设计优化的效果.计算结果显示,材料-结构协同优化设计可以取得较单一宏观设计变量更好的优化效果.     

压电智能桁架的灵敏度分析与优化设计

在压电桁架结构的有限元分析方法基础上，考虑电荷载和机械荷载联合作用的机电耦合效应，给出了压电智能桁架的位移和自振频率对常规尺寸设计变量和形状设计变量的灵敏度计算公式，增加了电压这一类新的设计变量，给出了位移对电压的灵敏度计算方法。在此基础上实现了通过优化压电主动桁架的电压进行变形控制的方法，并在JIFEX软件中实现了压电桁架的灵敏度分析与优化设计。文中给出的数值算例验证了算法和程序的有效性。     

AEROELASTIC OPTIMIZATION DESIGN OF COMPOSITE WING WITH CONSIDERATION OF STRUCTURAL INSTABILITY

从工程数学求解和有限元分析角度对复合材料结构的稳定性分析方法进行研究,基于这两个方面分别建立了同时考虑壁板稳定性约束和气动弹性约 束的气动弹性优化技术,并以大展弦比复合材料机翼为对象,进行气动弹性综合优化设计。研究表明,机翼气动弹性优化中若不考虑稳定性约束条件,虽然可以获得较小结构重量,但往往不满足稳定性要求;相比从有限元角度考虑结构失稳特征的气动弹性综合优化设计方法,通过工程数学方法对机翼结构进行分区失稳分析优化可以更加精准地控制变量,在满足各项性能指标,特别是稳定性约束的同时,进一步减轻了结构重量,提高了结构失稳因子。     

受随机激励作用结构的演化设计算法

提出了研究受随机激励作用的结构动力优化的演化设计方法，演化模型以随机激力作用下结构的位移方差为约束，寻求最优的构件尺寸使结构的重量最轻。演化算法采用多种群遗传与搜索空间收缩策略，并利用高效的虚拟随机激励法进行随机响应重分析和准精确罚函数处理约束，保证了算法稳定而迅速地收敛于最优解，算例显示出本文方法的有效性。