一种铸造成形过程影响因素模拟与优化分析方法

针对目前钢锭铸造成形时常用的"瞬时充型、温度均匀"假设条件,提出一种基于正交试验设计、数值模拟及响应面法的铸造成形过程影响因素模拟与优化分析方法。以材料Cr5钢的6t钢锭铸造过程为研究对象,采用试验设计和数值模拟方法获取试验样本数据,运用极差分析得到各因素对响应指标的主次顺序。基于双三次插值算法的响应面建模方法,建立换热系数及预热温度与响应指标的回归响应面模型。基于响应面函数建立了一种对参数进行局部敏感性分析的方法,以修正试验结果。结果表明:为保证铸造成形过程影响因素模拟的精度和可靠性,提高钢锭的铸造质量,应考虑充型过程温度场变化对凝固过程的影响。     

基于多层映射模型的空间机械臂运动可靠性影响因素灵敏度分析

面向空间机械臂在轨操作任务的高可靠性需求,基于运动可靠性影响因素多层映射模型开展灵敏度分析,为空间机械臂任务规划和控制决策制定提供理论依据。综合考虑空间机械臂几何参数、控制变量和柔性因素对运动可靠性的影响,建立运动可靠性影响因素的多层映射模型,实现各因素耦合关系和对运动可靠性递推关系的表征;以此为基础,融入在轨任务约束构造极限状态函数,引入非线性响应面方法实现灵敏度的快速求解,在避免传统方法中多维积分连续偏导问题的同时满足了在轨实时应用需求。通过仿真试验,实现了对各类运动可靠性因素的灵敏度求解,验证了多层映射模型的准确性和非线性响应面方法对求解运动可靠性灵敏度的有效性,并对灵敏度在任务周期内的时变性进行了探讨。     

直齿轮耦合转子系统的振动可靠性研究

为了探索随机变量对直齿轮耦合转子系统的振动可靠性的影响排序,为产品在设计阶段提供理论参考,首先,基于有限元法,建立了参数化的直齿轮耦合转子动力学模型；其次,结合随机摄动技术、可靠性设计相关理论,建立了随机响应模型和可靠性求解模型；然后,基于修正后的可靠性灵敏度计算方法,提出了针对齿轮耦合转子系统的可靠性灵敏度设计模型,研究了齿轮参数的改变对转子系统可靠性的影响；最后,在基本随机变量是混合变量的情况下,对其灵敏度进行了无量纲化,得到可靠性对各个基本随机变量的影响程度的排序.研究结果表明,对可靠性影响最大的因素为啮合角,需要严格控制.     

基于ANN—RSM方法的摩擦和柔性影响的机构动态可靠性分析

在摩擦和柔性的共同影响下,机构运动参数的动态响应为复杂非线性.考虑构件变形与运动的耦合,利用多柔体系统动力学分析方法求解柔性机构运动参数的随机动态响应.提出了一种柔性机构动态可靠性分析的神经网络响应面方法,结合柔性机构实例进行可靠性分析,结果表明该方法计算速度快,为柔性机构系统的动态可靠性分析提供了一种有效可行的方法.     

考虑模型偏差的结构动力学模型修正

针对结构有限元模型修正后仍可能存在模型偏差的问题,提出用待修正参数的不确定性来表征模型偏差的有限元模型修正方法。首先,基于响应面方法识别得到待修正参数的最优值,并通过计算结果与试验结果比较获得模型偏差;然后,基于响应面模型并结合灵敏度分析计算得到模型偏差对待修正参数的影响,从而得到考虑模型偏差后待修正参数的区间;最后,通过一个悬臂梁工程实例的模型修正,验证了笔者所提出方法的可行性。结果表明,考虑模型偏差的修正可以提高模型可靠性。     

含不确定参数的盘式制动器稳定性分析

针对汽车盘式制动器的制动降噪问题,结合响应面法、复特征值分析法与可靠性分析方法,提出一种含随机模糊混合不确定参数的盘式制动器稳定性分析方法。该方法针对含随机和模糊参数的盘式制动器,建立其不稳定阶次模态的复特征值阻尼比响应面模型,实现模型参数化;基于可靠性分析原理,建立制动器稳定可靠性的功能函数,通过混合参数可靠度计算方法对制动器进行稳定可靠性分析,并用Morris方法对参数化模型的不确定参数进行全局灵敏度分析。用该方法对某型轿车的盘式制动器进行研究,分析得到该制动器系统的稳定可靠度与不确定参数的灵敏度;在稳定可靠度不理想的情况下,根据灵敏度分析结果,通过降低支撑背板密度和增加支撑背板厚度提高盘式制动器系统的稳定性。     

基于区间仿射响应面的非概率可靠性分析

为抑制非概率可靠性分析过程中区间算法引发的区间扩张问题,提出一种基于区间仿射变换的响应面分析方法。依据区间参数与仿射形式的映射关系,构建区间仿射响应面,抑制区间扩张;为获得更为精确的响应区间,通过区间边界的分割组合建立模型更新及求解机制,对输出响应进行逐层修正,并利用区间仿射响应面求解非概率可靠性指标。通过数值和工程案例,对方法的可行性与有效性进行了验证。     

基于多失效模式的水下航行器耐压壳体结构可靠性研究

耐压壳体结构是水下航行器重要的组成部分,考虑到结构强度和稳定性失效之间的相关性以及结构参数存在的随机性,基于可靠性理论开展多耦合失效模式下的耐压壳体结构性能分析研究。在研究过程中,首先基于二阶响应面法对耐压壳体结构的力学模型进行简化分析,获得相应的结构力学数学模型;其次在综合考虑结构参数随机性基础上,结合随机摄动法、二阶矩方法和窄界限法,建立水下航行器耐压壳体结构多失效模式可靠性分析模型;最后在分析计算各结构参数灵敏度基础上,获得结构参数对耐压壳体结构性能的影响规律。通过研究清楚地了解各因素对耐压壳体结构性能的影响程度,为结构设计提供一定的理论参考。     

基于响应面法的起重机结构可靠性灵敏度分析

针对桥式起重机的金属结构可靠度计算方法特点,提出响应面法可靠性分析方法。从起重机金属结构的强度、静刚度进行了可靠性分析,并对灵敏度进行了探讨。将Visual Studio软件与ANSYS有限元软件的APDL语言相结合,开发了通用桥式起重机可靠性分析系统。通过分析工程算例,得到了灵敏度分析中随机参数对结构的影响程度和效果,为金属结构优化设计人员提供理论和技术指导。     

基于可靠性的混合不确定参数汽车盘式制动器振动稳定性分析

针对汽车盘式制动器的制动噪声抑制问题,基于可靠性分析理论,将响应面法与有限元复特征值技术相结合,提出一种混合不确定性参数下汽车盘式制动器系统振动稳定性的可靠性分析方法。该方法将参数不确定性引入到汽车盘式制动器的振动稳定性分析中,采用随机参数和区间参数对制动器系统进行描述,建立包含随机参数和区间参数的制动器系统不稳定特征值的响应面近似模型,实现分析模型的参数化,进而可对系统的振动稳定性进行参数灵敏度分析和可靠性分析。用该方法对某车的浮钳盘式制动器系统进行研究,采用蒙特卡洛方法分析系统振动稳定的可靠性和参数灵敏度。结果表明存在不确定性参数的情形下,通过提高制动器支撑背板的支撑刚度,能有效可靠地改善制动器系统的振动稳定性,减小制动噪声的产生,分析方法对抑制制动噪声具有一定的工程指导意义。     

磁悬浮控制力矩陀螺锁紧机构可靠性设计及优化

鉴于传统确定性优化方法没有考虑结构参数的随机性对结构性能的影响,本文提出了一种基于可靠性灵敏度的锁紧弹片结构优化方法。首先,以某磁悬浮控制力矩陀螺锁紧弹片为研究对象,研究了有限元建模和失效模式;然后,考虑弹片结构尺寸和材料参数的随机性,结合响应面法与一次二阶矩法,研究了串联失效模式下弹片的可靠度计算方法,进而推导了可靠性关于设计变量均值和方差的灵敏度计算公式;最后,根据灵敏度分析结果,研究确定了弹片结构优化策略,构建了弹片可靠性优化模型。分析了安全系数法和可靠性法优化结果的差异,结果表明:与安全系数法相比,可靠性法的优化结果更好;在保证弹片可靠度的前提下,采用可靠性优化方法不仅使弹片质量下降了23.71%,使锁紧机构更加优化,而且使陀螺房质量也下降了0.98kg,有利于磁悬浮控制力矩陀螺整机结构的轻量化。     

Distributed collaborative response surface method for mechanical dynamic assembly reliability design

Because of the randomness of many impact factors influencing the dynamic assembly relationship of complex machinery, the reliability analysis of dynamic assembly relationship needs to be accomplished considering the randomness from a probabilistic perspective. To improve the accuracy and efficiency of dynamic assembly relationship reliability analysis, the mechanical dynamic assembly reliability（MDAR） theory and a distributed collaborative response surface method（DCRSM） are proposed. The mathematic model of DCRSM is established based on the quadratic response surface function, and verified by the assembly relationship reliability analysis of aeroengine high pressure turbine（HPT） blade-tip radial running clearance（BTRRC）. Through the comparison of the DCRSM, traditional response surface method（RSM） and Monte Carlo Method（MCM）, the results show that the DCRSM is not able to accomplish the computational task which is impossible for the other methods when the number of simulation is more than 100 000 times, but also the computational precision for the DCRSM is basically consistent with the MCM and improved by 0.40-4.63% to the RSM, furthermore, the computational efficiency of DCRSM is up to about 188 times of the MCM and 55 times of the RSM under 10000 times simulations. The DCRSM is demonstrated to be a feasible and effective approach for markedly improving the computational efficiency and accuracy of MDAR analysis. Thus, the proposed research provides the promising theory and method for the MDAR design and optimization, and opens a novel research direction of probabilistic analysis for developing the high-performance and high-reliability of aeroengine.     

基于响应曲面法的液力透平叶轮多目标优化设计

建立了基于试验设计理论和响应面近似的液力透平叶轮的优化设计方法。以最高效率、高效区范围及转轮所得扭矩-流量曲线在小流量区的稳定性为目标函数。在使用CFturbo软件建立液力透平叶轮的参数化模型后,先用Plackett-Burman试验设计筛选结构参数,并根据结构参数对目标函数的影响将其划分为三个等级:显著因素、次显著因素和不显著因素;再用正交试验法确定次显著因素的设计中心点;最后由中心复合和Box-Behnken设计及响应面分析确定各级结构参数的最优设计点。该方法以计算流体力学(CFD)的计算结果为基础,共进行40次试验,构造了液力透平叶轮的结构参数与多目标函数的响应面近似模型,分析了结构参数间的交互效应。对最优设计点的液力透平进行了实验研究,试验结果及CFD计算值与响应面近似值吻合,且较优化前的模型在性能上有明显改善,表明基于试验设计和响应面的优化设计方法可用于液力透平叶轮的优化设计。     

基于双点加点策略的改进Kriging响应面可靠度计算方法

针对经典响应面法中多项式模型在拟合高度非线性结构功能函数时能力不足的问题,采用Kriging模型代替真实结构功能函数,提出了一种基于双点加点策略的改进Kriging响应面可靠度计算方法。根据双点加点策略,通过内插公式和评价函数选出最佳样本点,与一次二阶矩法产生的验算点一起加入到每次迭代的样本库中以更新Kriging模型,利用遗传算法对Kriging模型的重要参数进行优化,并用优化后的模型拟合结构功能函数,再结合重要抽样法修正可靠度计算结果。算例分析结果表明,所提方法可以兼顾计算精度和计算效率,验证了所提方法的适用性和高效性。     

平面连杆机构运动精度可靠性及灵敏度分析

针对平面连杆机构传动路线长,存在较大的积累误差,对机构的运动精度产生的影响不容忽视的问题,提出了加工误差、结构变形、装配间隙及铰链磨损多因素耦合作用下运动机构精度可靠性分析的建模方法及求解流程。用动量交换法建立铰链间隙的碰撞模型后对机构进行动力学分析,基于动力学分析结果,利用胡克定律及有限元法分析部件变形,利用Archard磨损模型分析铰链的磨损量。在此基础上,给出了加工误差与部件变形影响下杆长的分布参数以及装配间隙与铰链磨损影响下铰链间隙的分布参数,然后将铰链间隙用无质量连杆模型替换,建立并求解机构的运动方程。通过对飞机舱门收放机构的算例分析,得到了该机构在不同收放次数下的运动精度可靠度及对应的可靠性灵敏度,并给出了制造维护建议,证明了方法的可行性。     

浮式起重机结构联合失效可靠性分析的混合模拟法

提出了一种将蒙特卡罗模拟法与响应面法相结合的混合模拟法,并考虑结构体系在强度、刚度和稳定性联合失效模式下进行可靠性分析.以巨型海上浮式起重机结构体系为例,计算得到其结构体系在静力作用状态下的联合失效概率和可靠性指标,证明了文中所述方法的可靠性和高效性.     

油封正态分布结构参数的可靠性灵敏度分析

以油封的泵吸率为可靠性指标,将理论接触宽度、油侧唇角、空气侧唇角、过盈量和腰厚5种结构参数作为因子,泵吸率作为响应输出,运用正交试验法对油封性能进行分析;运用曲面响应法拟合泵吸率的极限方程,基于可靠性原理建立油封泵吸率的可靠性模型,运用二阶矩法和蒙特卡洛2种方法进行可靠性敏感度计算,分析呈正态分布的随机参数对均值的灵敏度和标准差的灵敏度。结果表明：2种计算方法的结果基本一致,基于均值的敏感度,对可靠度影响最大的是理论接触宽度,油侧唇角、空气侧唇角和过盈量对可靠度为正面影响;基于标准差的敏感度,过盈量的标准差对可靠度影响最大,5种结构参数的标准差均对可靠度有负面影响。     

多失效模式机械零部件可靠性灵敏度设计

基于应力-强度干涉模型,应用概率摄动法及四阶矩技术,讨论多失效模式下机械零部件可靠性分析问题.利用灵敏度分析的梯度算法,确定各个随机参数对机械零部件可靠性灵敏度.在随机参数前四阶矩已知的情况下,放松对随机参数的分布概型限制,使之更接近于工程实际,从而为多失效模式作用下机械零部件可靠性分析和可靠性设计等方面提供理论依据和方法参考.     

The analysis of structural-acoustic coupling of an enclosure using Green’s function method

Currently researchers expect to control the internal noise of an enclosure by controlling the relative structural vibration. The method is called ANC (Active Noise Control). Sound pressure response and velocity response of the structure are two significant factors to evaluate the performance of the ANC. But previous researches have to depend on a three-dimensional model with regular shape. Based on the Green’s function theorem this paper proposed two formulas to describe the contributions of acoustic modes and structural modes. These two formulas are the essential basis for the analysis of structural-acoustic coupling of an enclosure. From them compact matrix formulas are deduced and a numerical simulation method is presented to calculate the responses of sound pressure and velocity. The numerical simulation method is verified by comparing the numerical result with the theoretical one based on a regular model. And the application of the method in an irregular model shows this method can be used to analyze any model with arbitrary shape.