楔形环连接结构可靠性优化设计研究

论文摘要

楔形环连接结构主要应用于鱼雷、导弹、航天飞行器以及水下航行器的壳体连接,其光顺的壳体表面可以提高此类产品在高速下的气动性能或液动性能,同时其在外载下的可靠性也与系统的功能实现直接相关。本文根据工程应用需求背景开展了楔形环连接结构的弹塑性有限元应力分析,确定了结构的失效模式,引入了分析设计的思想并采用应力分类法提出了结构的失效条件,在此基础上通过有限元正交试验构造了结构的二次响应面函数,继而建立并求解可靠度为约束的可靠性优化模型,得到了满足不同可靠性要求的更小型结构,为类似结构的设计研究提供了一条新思路。本文所取得的主要研究结果有以下几点：1)壳体楔形环槽根部所在的截面是楔形环连接结构的薄弱环节,该处有较强应力集中和较大的由变形引起的弯曲应力。2)楔形环腔根部是首先进入屈服的部位,该处的小范围塑性屈服不会引起整体结构的失效,只有当屈服区域扩展到整个截面时结构才会发生塑性垮塌失效。3)引起楔形环连接结构失效的主要原因为危险截面处一次总体薄膜应力与一次弯曲应力,提出了由塑性材料所组成的楔形环连接结构的失效准则。4)构造了结构应力响应与参数关系的二阶响应面函数,通过分析表明壳体口部止口长度是结构应力响应的主导因素。5)结构的可靠性优化结果及检验结果说明优化后的结构优于原设计方案,满足了可靠度要求和小型化要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 楔形环连接结构研究现状
• 1.3 可靠性的发展及研究现状
• 1.4 可靠性优化设计的发展及现状
• 1.5 本文研究内容及方法
• 第2章 可靠性基本理论
• 2.1 可靠性理论的一些基本概念
• 2.1.1 极限状态及其描述
• 2.1.2 可靠性特征量
• 2.2 可靠度的应力-强度干涉模型
• 2.3 可靠度的工程计算方法
• 2.3.1 中心点法
• 2.3.2 一次二阶矩法
• 2.3.3 实用分析法
• 2.3.4 二次二阶矩法
• 2.3.5 响应面法
• 2.3.6 蒙特卡洛法（Monte-Carlo Method）
• 2.4 可靠性优化设计
• 2.4.1 可靠性优化设计的基本概念
• 2.4.2 可靠性优化设计的应用
• 2.4.3 可靠性优化设计的基本类型
• 2.5 小结
• 第3章 楔形环连接结构的失效准则
• 3.1 接触简介
• 3.1.1 接触问题分类
• 3.1.2 接触问题的求解方法
• 3.1.3 接触问题的有限元基础
• 3.1.4 ANSYS求解面-面接触问题
• 3.2 楔形环连接结构的失效模式分析
• 3.2.1 楔形环连接结构的参数化建模
• 3.2.2 非线性材料参数
• 3.2.3 识别接触对、目标面和接触面
• 3.2.4 设置实常数、单元关键字
• 3.2.5 施加边界条件和载荷
• 3.2.6 定义求解和载荷步选项
• 3.2.7 在单轴拉伸楔形环结构的失效过程
• 3.3 楔形环结构的失效准则
• 3.3.1 应力分类
• 3.3.2 当量应力的限制条件
• 3.3.3 应力分类的线性化处理方法
• 3.3.4 基于ANSYS的楔形环结构的应力分类
• 3.3.5 楔形环结构的失效准则
• 3.4 小结
• 第4章 楔形环连接结构试验研究
• 4.1 试验件设计
• 4.2 试验装置
• 4.3 测点布置
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 镁合金试件拉伸试验结果
• 4.4.2 铝合金试件拉伸试验结果
• 4.5 小结
• 第5章 楔形环连接结构可靠性优化
• 5.1 响应面法
• 5.1.1 正交试验设计
• 5.1.2 用正交多项式拟合二次响应面模型
• 5.1.3 方差分析
• 5.2 基于RSM的楔形环连接结构响应函数
• 5.2.1 结构参数与响应量
• 5.2.2 二次响应面方程
• 5.2.3 响应面方程的预测能力验证
• 5.2.4 结构参数对结构响应的影响分析
• 5.3 楔形环结构可靠性优化
• 5.3.1 基于可靠性的结构优化问题的一般形式
• 5.3.2 求解可靠度的一次二阶距法
• 5.3.3 楔形环连接结构的可靠性优化模型
• 5.4 小结
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果