充气膜结构

本文简要介绍了膜结构的发展历史,论述了充气膜结构的工作机理、结构特性及发展过程。在给出充气膜结构定义的基础上,从概念上区分出气承式和气工和气胀式两种不同性质的充气膜结构。对比非充气膜结构,分析了充气膜结构的优缺点,指出了充气膜结构在我国的应用前景。     

基于摄影测量的充气膜结构有限元建模方法

为了对正常使用过程中的充气膜结构进行荷载和动态特性等进一步分析和安全评价,提出了基于摄影测量的在役充气膜结构有限元模型建立方法。首先,采用三维摄影测量法对正常使用过程中的充气膜结构外形进行测量,并利用压力传感器测得相应的充气内压。然后,基于测量的外形及内压,将连续的膜面离散为膜线,并将内压按从属面积分配到相应的节点上,应用引入线性调整理论的索杆体系找力分析理论对膜线的力密度进行计算。随后,基于杆系结构平衡矩阵理论和小变形假定,应用非线性协调矩阵广义逆法,对结构的零应力态进行求解。最后,将得到的零应力态作为初始模型,利用有限元软件对其进行充气数值模拟,得到正常使用状态下的充气膜结构有限元模型。通过ETFE气枕模型的测量试验,验证了所提出的方法。     

基于响应面与灵敏度分析的区间不确定性参数识别方法

针对工程结构中普遍存在的不确定性,需开展考虑不确定性的有限元建模与模型参数识别。提出了具有区间不确定性参数识别的分步实施方法:①通过Box-Behnken矩阵设计方法进行响应面的样本点设计,并代入有限元模型计算获得结构的关心固有频率;基于二次多项式建立固有频率与待识别参数间的响应面模型;基于优化方法与自适应响应面思想对区间参数中值进行识别;②基于响应面模型并结合灵敏度分析,实现迭代区间参数半径的识别。通过某个质量—弹簧系统的数值算例和一组镜架系统工程实例的区间不确定性参数识别,验证了所提出方法的可行性和可靠性;参数识别结果表明所提出的方法具有较高的计算效率且可有效地避免区间优化导致的收敛问题。     

含区间不确定性参数的机翼气动弹性优化

提出了一种具有区间不确定性的机翼颤振优化方法.采用拉丁超立方方法建立仿真试验表,基于MSC.Nastran平台进行颤振仿真分析.获得仿真数据之后,应用Kriging方法构造了包含区间不确定性参数的机翼颤振分析代理模型,并进行有效性检验.基于建立的代理模型并按照区间序数关系,将不确定性优化目标和约束条件转化为确定性表达形式,从面形成区间不确定性的结构优化设计方法.该方法将区间法优化和代理模型相结合,同时综合有限元仿真和遗传算法的优点,计算效率较高且应用范围较广.以某复杂机翼结构为例进行了含区间不确定性的颤振优化计算.分析结果表明了所提方法的正确性和可行性.     

飞艇主气囊结构湿模态分析与试验研究

为研究飞艇主气囊结构模态特性,将飞艇内、外气体假设为势流体,基于流固耦合理论和势流理论,建立薄膜与内外空气流场共同作用的理论模型。建立充气膜结构数值分析方法,在内、外流场的单面耦合和内、外流场的双面耦合三种情况下,对薄膜充气管和模型飞艇进行湿模态分析,对比分析单面和双面气固耦合的分析结果,并通过模态试验对分析方法进行验证,结果表明采用双面耦合分析方法分析充气膜结构湿模态最合理;采用此方法对艇长5 m、25 m、50m和100 m以及长细比为1∶3、1∶3.5和1∶4的双轴椭球外形飞艇主气囊在多种内压条件下进行湿模态分析,表明固有频率与艇长成反比,而长细比与内压对固有频率影响小。分析结果可以为飞艇的结构设计以及复杂充气膜结构模态分析提供参考。     

钢筋混凝土柱的“强剪弱弯”可靠性区间分析

在钢筋混凝土结构抗震设计中,"强剪弱弯"是保证结构延性的一个重要设计概念。引进区间变量表达认知不确定性,对钢筋混凝土框架柱进行失效概率区间分析。通过结合代表认知不确定性的区间变量与代表偶遇不确定性的随机变量完成了对不确定性的数学描述。在此基础上,根据对基本事件的包含关系建立"强剪弱弯"区间可靠性概率模型,并从证据理论出发论证了该失效概率区间的上下界实质上等价于证据理论中的信任与似然函数。对于含有区间值不确定性参数的结构承载力计算,将Berz-Taylor模型引进计算过程中,减少由于区间扩张而导致的误差。在数值模拟计算中,运用模拟退火遗传算法(SAGA)确定了"强剪弱弯"的大致设计区间。根据该设计区间构造了特殊的采样函数进行重要性采样模拟从而得到了失效概率区间。误差分析表明该方法具有较好的精度。最后通过算例分析了各设计因素对"强剪弱弯"可靠性的影响,并提出了相应的设计建议。     

充气结构的空间造型分析研究

考虑充气膜结构的几何大变形和小应变的特点,以建筑力学和造型技术为基础,对不同造型充气结构的约束条件、力学性能等方面进行分析,总结不同造型充气结构的优缺点并对其进行造型分类,突出其不同功用。最后,通过对逐步充气加压过程中,充气造型的几何变化特征和膜面应力变化进行分析,总结不同造型在不同边界、不同内压下的变化规律。     

含区间参数的结构-声耦合系统可靠性优化设计

针对复合材料结构-声耦合系统,充分考虑系统本身及外载荷的不确定性,基于区间理论建立了相应的有限元分析方法及可靠性优化模型。首先,利用区间对不确定参数进行定量化描述,根据有限元网格推导含区间参数的结构-声耦合内场问题的有限-有限元方程;借助改进的区间泰勒展开方法,快速确定结构响应与声场响应的区间上下界;随后,基于区间可能度建立含不确定参数的耦合系统可靠性优化模型。数值算例通过层合板铺层角度和厚度的优化设计,验证了所建立可靠性优化设计模型及算法的有效性。     

区间响应面悬置固有频率匹配研究

针对悬置刚度在制造和车辆长期运行中的不确定性,利用响应面法构建悬置系统固有频率合理匹配的悬置刚度近似模型。应用区间分析方法,将区间优化模型转化为确定性模型,采用连续二次规划优化方法对所建立的非概率可靠性模型进行优化,找到能使悬置固有频率匹配更为可靠的刚度设计值。工程应用实例表明,该方法在悬置设计中具有较高的实用性。     

基于支持向量机的非概率可靠性分析

针对具有隐式极限状态函数的不确定性结构的非概率可靠性分析,提出一种基于支持向量机回归的不确定性结构非概率可靠性分析方法,并给出了该方法的分析流程.抽取数据样本,优化支持向量机回归参数,使用训练后的支持向量机替代隐式极限状态函数.利用非概率集合理论中的区间分析法,引入尺寸比例因子,构造合适的不确定性结构非概率可靠性指标迭...     

一种基于非概率可靠性的结构水平集拓扑优化

该文在研究水平集拓扑优化方法的基础上,对具有区间参数的不确定性结构的非概率可靠性约束进行了分析,经对有限元公式的推导、变换,提出了包涵非概率可靠度信息的拟安全系数形式,从而将非概率可靠性约束问题显式化处理,使得优化过程形式简单、便于计算,避免了复杂的迭代运算。通过对算例中数据及拓扑图形的对比研究,表明该文中模型的合理性和方法的有效性。     

充气薄膜管的弯皱行为分析

基于Stein-Hedgepeth褶皱理论,并通过引入"收缩系数"表征了膜结构褶皱形变特性,联合褶皱时的应力平衡条件完成了充气膜结构褶皱分析。将方法拓展应用于充气薄膜管情况,分析了充气管结构的弯皱变形特性,得到了临界皱曲弯矩和失效弯矩,并分析了弯矩随管半径和气压的变化规律。通过弯皱试验与分析结果进行比较,验证了分析结果的准确性。     

引入不确定参数的汽车盘式制动器振动稳定性分析

针对汽车制动器的噪声抑制问题,基于可靠性分析理论,将蒙特卡洛法与响应面法相结合,提出了一种汽车盘式制动器系统振动稳定性的可靠性分析方法。该方法针对制动噪声产生具有不确定性的特点,引入随机和区间不确定性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不稳定特征值的响应面近似模型,进而采用Sobol′全局灵敏度分析法和蒙特卡洛法分别对不确定参数的全局灵敏度和系统稳定性的可靠度进行分析。用该方法对某车的浮钳盘式制动器系统进行研究,分析了系统稳定性的可靠度和不确定参数的全局灵敏度,甄别了不确定性参数对系统稳定性的影响,并从可靠性角度提出了改善制动器系统振动稳定性的工程措施。     

复合材料点阵夹芯结构平压性能不确定分析与优化

考虑一体化成型工艺制备的复合材料点阵夹芯结构及其不确定性, 采用区间向量实现不确定参数定量化, 建立复合材料点阵夹芯结构平压性能区间分析模型。考虑结构功能状态判断的模糊性, 分别在不考虑设计容差与考虑设计容差情形下, 建立了不确定平压载荷作用下含区间参数模糊可靠性分析与优化模型。研究结果表明: 材料参数及结构参数不确定性, 特别是设计容差对复合材料点阵夹芯结构平压性能影响明显, 因此在工程优化中不仅需要充分考虑材料参数与外部载荷等不确定性, 而且需要充分重视传统不确定设计方法中未计及的设计容差的影响。本研究实现了理论成果与工程应用的有机结合, 为工程领域复合材料点阵夹芯结构平压性能分析与优化提供有效理论方法。     

区间参数杆系结构非概率可靠性指标的改进仿射算法

将杆系结构中的不确定性参数用区间数表示,建立结构的非概率可靠性指标求解方程。将矩阵形式的仿射算术和递归导数信息结合,提出了改进的二元区间多项式矩阵形式的仿射上下界公式。给出了有界不确定性变量的仿射型和区间形式的相互转化,将有界不确定性变量的仿射型及结合导数信息的矩阵形式的仿射运算引入到杆系结构基于区间模型的非概率可靠性指标计算中。分别以某外伸梁和十杆桁架结构为例对该方法的可行性和有效性进行了验证。     

在役腐蚀管道动态非概率可靠性分析简

 腐蚀失效是压力管道失效的主要形式之一,研究腐蚀管道的可靠性具有重要理论意义和应用价值.在对腐蚀管道可靠性分析时,概率可靠性模型和模糊可靠性模型对于数据信息的要求较高.而在掌握不确定性信息很少情况下,为了充分利用管道的不确定性信息弥补原始数据的不足,可将腐蚀管道可靠性分析中的材料屈服强度、管道直径、缺陷深度和操作压力等不确定参数视为区间变量,基于区间模型建立一种在役腐蚀管道动态非概率可靠性模型,给出了腐蚀管道剩余寿命预测的简便方法.结合工程实例计算与分析,表明了文中所提出方法的可行性和合理性,并在此基础上,分析了管道的壁厚、缺陷深度、实际压力和腐蚀速率这些区间变量的不同变异系数对非概率可靠性指标的影响,分析结果表明非概率可靠性指标对管道壁厚的变异系数最为敏感.     

复合材料波纹板在剪切载荷下的屈曲特性分析与可靠性优化

飞机机翼的墙腹板广泛采用复合材料波纹板结构,该结构在剪切载荷作用下的屈曲可靠性是其设计中必须考虑的因素。基于波纹板等效拉伸和弯曲刚度模型,采用Ritz法和最小势能原理,推导了复合材料波纹板临界剪切屈曲载荷的计算方法;充分考虑复合材料属性及外载荷中存在的不确定性,采用区间向量实现不确定参数的定量化;借助参数顶点法确定屈曲载荷因子的上下界,提出了剪切载荷作用下屈曲可靠性的区间分析方法;利用区间可能度指标刻画剪切屈曲可靠度,建立了含不确定参数的复合材料波纹板区间可靠性优化模型。数值算例表明,该方法与有限元方法(FEM)相吻合,优化结果验证了所建立的区间可靠性优化模型及算法的有效性。     

基于区间扩阶系统方法的结构静力分析

基于函数的正交分解、次序正交分解与区间数学理论,推导出区间扩阶系统方程,并利用不确定性结构分析的扩阶系统方程对具有不确定性参数的结构系统进行静力分析。将不确定参数处理为有界区间数,基于有限元模型和区间结构力学矩阵的线性分解形式,通过区间扩阶系统方程和有约束的非线性优化方法,对具有区间参数的结构静力响应进行计算。通过数值算例,对区间扩阶系统方法的结果与解析结果进行对比,分析了区间扩阶系统的展开阶数和不确定度对计算结果的影响,数值结果表明了区间扩阶系统方法的可行性与有效性。     

复合材料点阵夹芯结构平压性能不确定分析与优化

考虑一体化成型工艺制备的复合材料点阵夹芯结构及其不确定性,采用区间向量实现不确定参数定量化,建立复合材料点阵夹芯结构平压性能区间分析模型.考虑结构功能状态判断的模糊性,分别在不考虑设计容差与考虑设计容差情形下,建立了不确定平压载荷作用下含区间参数模糊可靠性分析与优化模型.研究结果表明:材料参数及结构参数不确定性,特别是设计容差对复合材料点阵夹芯结构平压性能影响明显,因此在工程优化中不仅需要充分考虑材料参数与外部载荷等不确定性,而且需要充分重视传统不确定设计方法中未计及的设计容差的影响.本研究实现了理论成果与工程应用的有机结合,为工程领域复合材料点阵夹芯结构平压性能分析与优化提供有效理论方法.     

区间参数平面连续体结构频率非概率可靠性拓扑优化

研究了具有区间参数的平面连续体结构在固有频率非概率基频约束和频率禁区约束下的拓扑优化设计问题。考虑结构弹性模量、质量密度和频率约束限具有区间不确定性,根据SIMP材料插值方法和区间变量运算法则,构建了基于频率非概率可靠性约束的弯曲薄板和平面应力薄板结构的拓扑优化数学模型表达式,并给出了进化优化准则。算例及其结果表明文中模型和方法的有效性。