自行火炮行动系统疲劳断裂可靠性分析与仿真研究

论文题目: 自行火炮行动系统疲劳断裂可靠性分析与仿真研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 固体力学

作者: 易当祥

导师: 吕国志

关键词: 自行火炮,行动系统,扭力轴,疲劳可靠性,断裂可靠性,随机载荷,虚拟样机,有限元,双重边界元,进化神经网络,仿真

文献来源: 西北工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 自行火炮行动系统疲劳寿命预测与可靠性仿真方法的研究，为自行火炮的维修保障提供了理论依据和参考价值，完善和提高武器装备的保障力和生存力，具有重要的意义。本文建立了一套随机载荷作用下行动系统疲劳断裂寿命可靠性分析的CAE仿真方法。在自行火炮虚拟样机仿真获得行动系统关重件随机载荷时间历程的基础上，以扭力轴为主要研究对象，疲劳断裂可靠性理论为基础，考虑各种随机因素的分散性，从安全寿命／损伤容限分析的角度，全面深入地研究了行动系统关重件在多行驶工况随机载荷作用下裂纹萌生可靠寿命及裂纹扩展可靠寿命计算理论和仿真方法。 建立基于ATV的自行火炮虚拟样机、数字的等级路面以及虚拟样机与路面之间的接触模型组成的虚拟行驶试验系统，仿真并获得行动系统关重件在各级标准路面和不同档位时的随机载荷时间历程。通过改进的三峰谷计数、参数估计和权系数法，获得了各工况合成后的联合概率密度函数。并提出了概率密度——最速下降法来扩展多工况下的二维疲劳载荷，编制了8×8的全寿命里程载荷设计谱。 提出了构件疲劳可靠性试验仿真并拟合获得构件P-S_a-S_m-N曲面的方法。考虑了构件的重要几何尺寸、应力集中系数K_f、尺寸修正系数ε和表面加工修正系数β等横向因素的随机性对疲劳寿命的影响。对于扭力轴相关重要几何尺寸的分散性影响，运用了改进的进化神经网络(MENN)进行模拟。通过MSC.Marc参数建模计算而获得的扭力轴危险部位的最大剪应力作为MENN训练样本，研究和运用了独特的编码技术和先进的遗传操作算子和进化策略，得到了用遗传算法优化后的神经网络结构及其权值和闽值矩阵。仿真结果检验表明MENN具有很好的精度、拟合能力和泛化能力。然后以材料P-S_a-S_m-N曲面为基础，由应力寿命法和Monte-Carlo法仿真并获得了扭力轴在各恒幅载荷作用下给定可靠度的疲劳寿命，由此拟合得到了扭力轴的P-S_a-S_m-N曲面。与实验结果比较，表明该疲劳可靠性试验仿真方法是合理的。 考虑了扭力轴的两类不同性质的横向随机性和纵向随机性的影响，由MM法则和EM法则修正二维概率Miner准则，推导获得了MTPMiner准则和ETPMiner准则，运用了应力寿命—MTPMiner准则理论和应力寿命—ETPMiner准则理论分别进行了扭力轴的疲劳可靠性分析，提供了某个可靠度下扭力轴疲劳寿命的变化区间。并从疲劳安全寿命的角度，根据疲劳寿命的仿真结果提出了完善自行火炮扭力轴的大小修周期的建议。而且，运用上面的计算理论和仿真方法，仿真了行动系统履带销、履带板和主动轮等关重件的疲劳可靠寿命。同时开发了自行火炮行动系统疲劳可靠性仿真软件，该软件解决了VC与MATLAB之间数据多交互多

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 履带车辆动力学分析与仿真软件

1.3 结构疲劳可靠性的发展和研究现状

1.3.1 疲劳寿命估算方法

1.3.2 概率累积损伤理论

1.3.3 疲劳断裂可靠性的国内外研究现状

1.4 断裂力学数值计算与仿真进展

1.4.1 断裂力学数值计算方法

1.4.2 裂纹扩展仿真方法

1.5 概率损伤容限方法

1.6 随机载荷作用下疲劳可靠性分析方法

1.7 抗疲劳可靠性设计和可靠性仿真的 CAE技术

1.8 本文的主要工作和创新

第二章 基于虚拟样机的自行火炮行动系统载荷仿真

2.1 自行火炮动力学模型与虚拟样机

2.1.1 虚拟样机技术及ATV模块

2.1.2 自行火炮拓扑结构及运动关系分析

2.1.3 主要力学模型分析

2.1.4 自行火炮刚体及其约束关系

2.1.5 虚拟样机

2.2 路面模型

2.2.1 路面谱表征

2.2.2 数字等级路面的重构

2.3 履带与地面力学模型

2.4 虚拟样机试验验证

2.4.1 自行火炮静平衡比较验证

2.4.2 自行火炮行驶仿真验证

2.5 自行火炮行驶试验仿真

2.5.1 行驶阻力系数的仿真

2.5.2 自行火炮稳态行驶时关重件载荷仿真

2.6 本章小结

第三章 二维疲劳载荷的统计处理与载荷谱编制

3.1 仿真载荷的统计计数处理

3.2 各单一工况载荷的分布规律与检验

3.2.1 分布参数估计与检验

3.2.2 二维疲劳载荷概率联合密度函数

3.3 多工况疲劳载荷的合成

3.4 全寿命里程二维疲劳载荷设计谱的编制

3.4.1 基于概率密度──最速下降法的疲劳载荷扩展

3.4.2 全寿命里程二维设计谱

3.5 本章小结

第四章 扭力轴有限元分析与进化神经网络模拟

4.1 扭力轴危险点应力历程的有限元分析

4.1.1 扭力轴结构及其网格划分

4.1.2 扭力轴二维疲劳应力设计谱

4.2 扭力轴剪应力的几何尺寸影响因素

4.2.1 不同几何尺寸的扭力轴参数化建模

4.2.2 扭矩载荷时间历程的简化

4.2.3 不同几何尺寸的有限元分析结果及比较

4.3 进化神经网络的仿真方法

4.3.1 BP神经网络

4.3.2 遗传算法

4.3.3 进化神经网络的算法

4.3.4 进化神经网络算法与编码技术

4.3.5 改进的进化神经网络方法

4.4 进化神经网络的仿真与检验

4.4.1 ENN网络仿真

4.4.2 MENN网络仿真

4.4.3 ENN与 MENN网络和有限元的比较与检验

4.5 本章小结

第五章 随机载荷下疲劳可靠性分析的理论研究

5.1 概述

5.2 材料的P-Sa-Sm-N曲面方程

5.3 MTPMiner累积损伤准则

5.3.1 二维概率 Miner准则

5.3.2 MTPMiner准则

5.4 构件等幅疲劳可靠性分析

5.4.1 疲劳横向应力的二维概率分布

5.4.2 应力寿命可靠性模型理论

5.5 构件P-Sa-Sm-N曲面的疲劳实验仿真

5.6 MTPMiner准则下随机载荷疲劳可靠性

5.7 应力寿命-MTPMiner准则理论

5.8 本章小结

第六章 行动系统疲劳可靠性分析及软件实现

6.1 扭力轴疲劳横向因素的随机性及其分布

6.2 扭力轴的概率疲劳强度

6.2.1 扭力轴的疲劳极限

6.2.2 等幅疲劳应力的横向分布

6.2.3 扭力轴结构P-Sa-Sm-N曲面仿真与试验比较

6.3 随机载荷作用下扭力轴疲劳可靠寿命计算

6.4 扭力轴疲劳可靠寿命仿真结果分析与讨论

6.4.1 EM法则修正下扭力轴疲劳可靠寿命估算

6.4.2 疲劳可靠寿命估算方法的比较与结果分析

6.4.3 扭力轴检修周期的简要讨论

6.5 行动系统其它关重件疲劳寿命可靠性分析

6.5.1 履带销疲劳可靠性分析

6.5.2 履带板疲劳可靠性分析

6.5.3 主动轮疲劳可靠性分析

6.6 自行火炮关重件疲劳寿命可靠性分析的软件实现

6.6.1 Visual C++和 MATLAB软件

6.6.2 Visual C++调用 MATLAB的方法

6.6.3 接口设计

6.6.4 自行火炮疲劳寿命可靠性仿真软件

6.7 本章小结

第七章 扭力轴三维裂纹分析与扩展仿真的双重边界元法

7.1 三维疲劳裂纹扩展模拟的理论方法

7.1.1 三维裂纹的双重边界元理论

7.1.2 增量步裂纹扩展分析方法

7.1.3 裂纹扩展的 Elber模型

7.1.4 BEASY软件功能与特点

7.2 扭力轴断裂形式与边界元分析

7.3 扭力轴初始表面裂纹扩展仿真

7.3.1 材料的疲劳裂纹扩展参数

7.3.2 疲劳裂纹初始位置

7.3.3 裂纹几何形状及其初始长度

7.3.4 载荷谱块的等效处理与随机性

7.4 扭力轴疲劳裂纹扩展模拟和扩展寿命的预测

7.4.1 表面裂纹的扩展和裂纹面网格重划分

7.4.2 疲劳裂纹扩展仿真实例

7.5 本章小结

第八章 扭力轴疲劳裂纹扩展的可靠性分析

8.1 扭力轴疲劳裂纹扩展的主要影响因素和可靠性模型

8.2 疲劳裂纹扩展影响因素的随机性

8.2.1 初始裂纹和载荷的随机性

8.2.2 材料参数的随机性

8.3 扭力轴疲劳裂纹剩余寿命的仿真

8.3.1 剩余寿命计算与训练样本的正交设计

8.3.2 裂纹扩展剩余寿命的 MENN网络模拟

8.4 扭力轴P-a_0-N曲线的仿真

8.5 裂纹扩展剩余寿命的可靠性分析

8.5.1 初始裂纹尺寸为确定值的可靠性分析

8.5.2 初始裂纹尺寸为随机变量的可靠性分析

8.5.3 初始裂纹扩展P-a_0-N可靠性模型计算

8.6 各随机因素对裂纹扩展剩余寿命的影响

8.7 扭力轴全寿命及检修期的确定

8.8 本章小结

第九章 总结与展望

参考文献

本人在攻读博士学位期间撰写的论文

致谢

发布时间: 2007-03-29

参考文献

• [1].随机载荷下金属结构多轴疲劳寿命预测方法的研究[D]. 葛敬冉.哈尔滨工业大学2015
• [2].结构动力学拓扑优化关键问题研究[D]. 刘虎.西北工业大学2015

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