响应面模型在结构疲劳优化设计中的应用

利用响应面模型和结构疲劳寿命可视化技术,给出了一种基于疲劳寿命的结构优化设计方法.通过某飞机起落架扭力臂疲劳寿命优化设计算例,验证了方法的有效性.该方法对工程中结构的疲劳优化设计具有重要的参考价值.     

考虑疲劳可靠性的回转压头锁紧碟簧稳健设计

结合可靠性设计理论和稳健设计技术,以碟簧的疲劳可靠性为约束,碟簧组的轴向载荷及其方差为目标函数,建立了夹紧装置碟簧的稳健性优化模型,并进行了稳健优化。同时考虑了碟形弹簧各设计参数的不确定性对碟簧疲劳寿命和碟簧特性的影响,提高了设计结果的经济性和可靠性。     

采用等效载荷预测轴重对货车交叉支撑装置疲劳寿命的影响

国内目前正在设计、研制30 t轴重铁路货车,原用于21 t、25 t轴重转向架的交叉支撑装置拟用于该型车辆.运用环境(轴重)改变后,在多大程度上改变了转向架交叉支撑装置的疲劳寿命,对于车辆尚处于设计阶段而不能通过实测车辆线路动应力来评估车辆结构强度的交叉支撑装置来说,需要寻求一种新的研究方法来实现疲劳寿命预测目的.由此,在建立三种轴重货车系统动力学模型基础上,详细研究三种轴重货车交叉支撑装置的径向力峰值和均值特性,获得交叉支撑装置受力方向与状态,揭示出轴重、运行速度、线路曲线半径以及线路等级等因素对交叉支撑装置载荷的影响特点.为预测30 t轴重货车交叉支撑装置的疲劳寿命问题,依据交叉支撑装置径向力与轴向应力之间线性对应关系,提出等效载荷计算方法以及等效载荷与疲劳寿命之间对应关系.等效载荷计算方法考虑了各载荷水平和出现频次对等效载荷的贡献.在分别计算21 t、25 t和30 t轴重货车交叉支撑装置等效载荷前提下,预测了30 t轴重货车交叉支撑装置疲劳寿命所占21 t、25 t轴重货车交叉支撑装置疲劳寿命的比率.研究结果表明,30 t轴重货车交叉支撑装置的疲劳寿命约分别为21 t、25 t轴重的76%、92%左右.采用等效载荷预测轴重对货车交叉支撑装置疲劳寿命影响的研究方法对解决类似工程问题提供了新的方式,具有良好的工程实用价值,是将车辆动力学研究和结构强度研究有机结合的新研究思路.     

基于疲劳寿命的履带车辆侧减速器传动轴结构优化

针对某型履带车辆侧减速器传动轴的结构优化问题,结合疲劳寿命预测方法对传动轴不同结构尺寸的寿命进行比较,从而实现优化设计。首先利用虚拟样机仿真技术在ADAMS.ATV中建立车辆行走系统虚拟样机模型及路面不平度模型,通过仿真得到车辆行驶约束反力矩,将约束反力矩导入随后建立的侧减速器模型,得到传动轴在不同路面条件下的动态载荷。利用得到的动态载荷结合传动轴应力分析得到不同条件下的疲劳寿命预测值,进一步对传动轴不同内外径比值情况下的疲劳寿命变化情况进行了分析,研究结果可以作为一种履带车辆部件在一定约束条件下的结构优化问题的有效方法。     

电动轮自卸车车架结构抗疲劳轻量化设计

针对传统经验式设计的电动轮自卸车车架结构存在刚度不足、焊缝开裂、重量冗余,以及自身固有频率与非簧载质量激励频率接近而可能发生共振等问题,开展车架结构性能多目标优化设计的研究。首先,基于变密度法和SIMP插值模型对原始车架结构进行了考虑疲劳寿命约束的多目标拓扑优化设计,得到了满足静态多工况下柔度最小和多阶低阶固有频率最大的拓扑优化结构。再次,基于Kriging近似模型的抗疲劳轻量化设计,利用非支配排序多目标遗传算法进行全局寻优,优化后的车架结构质量比原始车架结构质量减少4.24%,且车架结构在同样载荷作用下的应力分布更加均匀,车架强度、刚度、动态特性和疲劳寿命等性能均得到改善。     

全陶瓷球轴承内外圈沟曲率系数的优化设计

全陶瓷轴承沿用钢轴承的参数设计会大大降低轴承的疲劳寿命,需对全陶瓷轴承进行优化设计来提高疲劳寿命。通过对当前设计试样轴承的疲劳寿命试验结果分析,以全陶瓷深沟球轴承内外圈的接触应力和摩擦力矩作为优化目标,建立优化评价系数的函数,并求得内外圈沟曲率系数的最优值。建立有限元模型,对其内外圈与球的接触应力和摩擦力矩进行分析验证。最后进行疲劳寿命试验,验证了优化设计后轴承在载荷为500N左右时,疲劳寿命提升最大,约17%。     

基于非概率可靠性的连续体结构拓扑优化设计

研究区间参数的连续体结构在区间载荷作用下的拓扑优化设计问题.构建区间载荷作用下区间参数连续体结构的拓扑优化设计数学模型,以结构的形状拓扑信息为设计变量,结构总质量均值极小化为目标函数,满足单元区间应力非概率可靠性为约束条件.基于区间因子法,导出应力响应的均值和离差的计算表达式.采用双方向渐进结构优化(bi-directional evolutionary structural optimization, BESO)的求解策略与方法.通过两个算例验证文中模型及求解策略与方法的合理性和方法的有效性.     

基于双响应面模型的碰撞安全性稳健性优化设计

建立稳健的车体耐撞结构是提高汽车碰撞安全性的有效途径.传统的耐撞性优化设计,由于忽视制造工艺、材料特性和边界条件中存在的不确定因素,导致汽车碰撞安全性能不够稳健.近年来,稳健性设计得到广泛的关注,并在汽车工业中得到应用.将稳健性设计方法应用到汽车碰撞安全性设计中,以某轿车的前纵梁为研究对象,运用双响应面方法对其进行稳健性优化设计.采用拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)方法和最小二乘方法创建碰撞响应的二阶多项式双响应面模型,将材料特性作为不确定性因素.稳健性优化后,对前纵梁碰撞性能的稳健性与优化前进行对比分析.分析结果表明,该稳健性设计方法精度较高;经稳健性优化后,前纵梁碰撞性能的稳健性获得了显著提高,且质量减少了3.32％.     

载荷不确定性的机床支承件公差优化设计

为降低不确定因素对机床支承件精度的影响,提高支承件精度稳健性,针对机床支承件安装基准面,提出一种考虑载荷不确定性的机床支承件公差优化设计方法。首先建立机床支承件精度稳健性优化模型;其次,考虑载荷不确定性求解与支承件所联接零部件的位姿误差分布,利用响应面法构建支承件安装基准面公差、载荷不确定变量与支承件误差分布参数间的近似模型;再次,结合现有的加工成本函数,利用粒子群嵌套优化算法求解优化问题。以某龙门式加工中心横梁为例,利用不确定性优化方法优化基准面公差。最后,通过与确定性优化结果对比,发现提出的稳健性公差优化设计方法在保证加工成本较低的同时,可以有效提升设计产品的稳健性。     

脂润滑特大型双列四点接触球轴承结构参数优化

建立以基本额定动载荷、基本额定静载荷和摩擦力矩为优化目标的脂润滑特大型双列四点接触球轴承的优化设计模型,提出了考虑低速摆动、轴承材料、润滑状态和可靠性等因素的精确轴承疲劳寿命计算公式,并以某一型号特大型双列四点接触轴承为例,通过多目标遗传优化算法进行优化设计。结果表明:采用该模型进行轴承结构参数优化设计,既能满足轴承的承载能力,又能提高轴承的寿命,同时能减小轴承的摩擦力矩。     

随机载荷下疲劳寿命的估算

复杂随机载荷下疲劳寿命的评估，一直是工程上所关心的问题之一。在设计阶段，通常难以确定详细的应力历程，因而也无从进行循环计数和累计损伤。本文基于传统的疲劳设计思想和概率分析方法，综合考虑平均应力的影响和疲劳寿命固有的分散性，研究了宽带随机载荷作用下疲劳寿命的估算问题     

考虑平均应力效应的Tovo-Benasciutti疲劳寿命预测模型

为了考虑平均应力对循环载荷作用下结构振动疲劳寿命的影响,对Tovo-Benasciutti疲劳损伤模型进行了平均应力修正。采用径向基函数法构造平均应力修正系数与随机应力带宽系数之间的近似模型,建立了考虑平均应力的Tovo-Benasciutti疲劳损伤模型。利用所建立的模型对某简单梁进行了疲劳寿命估计。结果表明：考虑平均应力效应的Tovo-Benasciutti模型能得到与试验更一致的结果。     

Robust Collaborative Optimization Method Based on Dual-response Surface

A novel method for robust collaborative design of complex products based on dual-response surface (DRS-RCO) is proposed to solve multidisciplinary design optimization (MDO) problems under uncertainty. Collaborative optimization (CO) which decomposes the whole system into a double-level nonlinear optimization problem is widely Accepted as an efficient method to solve MDO problems. In order to improve the quality of complex product in design process, robust collaborative optimization (RCO) is developed to solve those problems under uncertain conditions. RCO does opfmiTation on the linear sum of mean and standard deviation of objective function and gets an optimal solution with high robustnmess. Response surfaces method is an important way to do approximation in robust design. DRS-RCO is an improved RCO method in which dual-response surface replaces system uncertainty analysis module of CO. The dual-response surface is the approximate model of mean and standard deviation of objective function respectively. In DRS-RCO, All the information of subsystems is included in dual-response surfaces. As an additional item, the standard deviation of objective function is added to the subsystem optimization. This item guarantee both the mean and standard deviation of this subsystem is reaching the minima at the same time. Finally, a test problem with two coupled subsystems is conducted to verify the feasibility and effectiveness of DRS-RCO.     

概率循环应变—寿命曲线及其估计方法

引入了概率循环应变—寿命曲线描述低周疲劳循环应变—寿命试验数据的分散性。应用线性回归方法和极大似然法原理 ,发展了曲线及其置信限的估计方法。方法采用经验证的良好假设分布即对数正态分布模拟疲劳寿命的分散性。基于Coffin Manson律 ,将曲线近似表征均值和均方差循环应变—寿命曲线的形式。任意可靠度下的疲劳分析可方便地根据正态分布进行。与现有独立随机变量观点不同 ,材料常数视为关联随机变量。1Cr18Ni9Ti不锈钢管道焊接头试验数据分析验证了方法的有效性。     

随机超载下疲劳裂纹扩展的模拟计算

采用蒙特卡罗法对随机超载作用下的疲劳裂纹扩展进行模拟计算。载荷谱为在基本循环载荷基础上加入一以泊松流发生的随机超载序列．超载的大小为均匀分布。相邻两次超载发生的时间间隔通过一系列相互独立、服从指数分布的随机数进行模拟。采用Wheeler模型考虑超载的迟滞效应，计算出每一载荷循环的裂纹扩展量。由此模拟出裂纹从初始长度一直到疲劳破坏的扩展曲线。通过大量样本的模拟计算，获得随机超载作用下疲劳裂纹扩展寿命的平均值与标准差。最后研究超载发生强度和大小对疲劳裂纹扩展寿命的影响。     

A Study for robustness of objective function and constraints in robust design optimization

Since randomness and uncertainties of design parameters are inherent, the robust design has gained an ever increasing importance in mechanical engineering. The robustness is assessed by the measure of performance variability around mean value, which is called as standard deviation. Hence, constraints in robust optimization problem can be approached as probability constraints in reliability based optimization. Then, the FOSM (first order second moment) method or the AFOSM (advanced first order second moment) method can be used to calculate the mean values and the standard deviations of functions describing constraints and object. Among two methods, AFOSM method has some advantage over FOSM method in evaluation of probability. Nevertheless, it is difficult to obtain the mean value and the standard deviation of objective function using AFOSM method, because it requires that the mean value of function is always positive. This paper presented a special technique to overcome this weakness of AFOSM method. The mean value and the standard deviation of objective function by the proposed method are reliable as shown in examples compared with results by FOSM method.     

混合陶瓷球轴承多目标优化

混合陶瓷球轴承(Hybrid Ceramic Ball Bearing,HCBB)用Si3N4陶瓷球替换钢球,这两种材料性能差距较大,导致轴承寿命和发热量发生显著变化,需对HCBB进行多目标优化设计。提出高速HCBB多目标优化模型,目标函数为疲劳寿命和直接表征发热的自旋摩擦功率。用Ioannides-Harris理论计算HCBB寿命,用非劣排序遗传算法-II求解该多目标优化问题。结果显示优化的HCBB显著优于当前设计。     

运用模拟退火算法的轿车轮毂轴承多目标优化设计

为了提高设计效率和质量，在给定的装配空间条件下满足几何和性能约束，以获得最大的疲劳寿命和最佳的力矩刚性为目的，运用模拟退火算法对双列角接触球轴承结构的轿车轮毂轴承进行多目标优化设计。以数组形式定义离散变量定义域，并采用随机选取数组序号形式实现随机对离散变量定义域进行取值。并基于一个实际应用例子编制了优化程序，给出了运算结果。结果表明，模拟退火算法能够有效地解决离散变量全局寻优问题，所有约束得到满足并获得整体性能最优的轮毂轴承。优化设计方案无论在系统疲劳寿命还是力矩刚性方面都显著地优于当前设计方案。     

随机载荷下燃油泵托架疲劳寿命仿真分析

针对一类含橡胶减振垫燃油泵托架出现疲劳断裂的现象,研究利用数值仿真技术预测结构疲劳寿命的方法。应用有限元法和随机振动理论计算结构随机振动响应的各种统计参数,采用Miner累积损伤理论预测疲劳寿命。重点讨论了有限元模型中系统阻尼和橡胶垫刚度等关键参数的确定方法,并利用优化技术实现有限元模型修正的自动化。计算结果表明动态随机激励环境下存在严重的局部应力集中是造成托架损坏的主要原因。仿真结果和随机振动试验结果吻合,证明利用数值仿真技术预测此类产品的疲劳寿命是可行的。     

焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究

桥壳作为驱动桥的核心零部件,其疲劳寿命对驱动桥乃至整车安全性有决定性的影响,对于制造过程中使用焊接工艺的桥壳,焊接残余应力的影响不容忽略。以某商用车驱动桥桥壳为研究对象,在获得其焊接残余应力分布的基础上,分析焊接残余应力对桥壳在静态载荷和动态循环载荷工况下应力应变响应的影响。使用应变-寿命分析方法对桥壳在弯曲疲劳试验工况下的寿命进行预测,并与台架试验结果进行对比,结果表明考虑焊接残余应力时,疲劳寿命次数和破坏位置的预测结果与试验结果吻合较好,验证桥壳疲劳寿命预测模型的准确性。与不考虑焊接残余应力的模型相比,焊接残余应力导致桥壳疲劳寿命次数降低,且失效位置不同,说明了疲劳寿命预测时考虑焊接残余应力的必要性。本文方法可推广应用于含有焊接残余应力的结构疲劳寿命预测,为结构优化设计提供指导。