疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型

裂纹形核是结构疲劳损伤演化的初级阶段。基于Tanaka-Mura微裂纹形核机制,提出恒幅交变载荷下结构表面疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型。设细观尺度的晶粒尺寸、晶粒取向欧拉角为随机变量,借助Schmidt因子建立细观主应力与分解切应力之间的关系。考虑到晶粒取向随机性和紧邻晶粒影响因素,导出分解切应力变程的概率分布。进一步运用矩法和次序统计量模型获得任一晶粒中疲劳裂纹形核寿命和结构热区晶粒群多裂纹分散形核寿命的概率分布。数值算例验证了所提模型与方法的可行性和合理性。新模型在裂纹形核寿命研究中引入了细观物理参数和几何参数的概率统计信息,可为多晶体金属结构件的疲劳可靠性评估和抗疲劳概率设计开辟精细化分析的新途径。     

隐式功能函数结构体可靠性拓扑优化

考虑工程实际中外载荷、材料属性等的随机不确定性对结构安全性的影响,研究了具有结构位移可靠性约束的拓扑优化设计。建立以柔度最小为目标、以单元相对密度为变量、具有材料体积分数约束和结构位移可靠性约束的拓扑优化数学模型;针对运用有限元数值计算方法时结构功能函数为隐式的情况,运用响应面法近似逼近结构真实的功能函数;利用简便高效的一次二阶矩法计算结构位移可靠度;采用内循环为确定性的拓扑优化、外循环控制结构材料体积分数的策略对连续体结构进行可靠性拓扑优化设计。通过两个算例与确定性拓扑优化结果进行比较,结果表明所提设计方法是高效可行的。     

材料二维微结构仿真随机概率圆优化填充算法

几何建模是影响有限元法计算材料性能精确性的主要因素之一。利用圆等简单的 几何实体近似模拟离散化实体效果良好,不仅能大量简化几何计算,还能构造出误差在可接受 范围内的近似模型。材料特性不仅取决于平均颗粒尺寸,受颗粒尺寸分布的影响也十分显著。 本文设计的随机圆填充算法保证了填充圆半径服从某一概率分布,重点分析了常规圆产生方法 和依据干涉圆的干涉类型生成新圆。该算法不仅完全杜绝了圆的干涉还极大的减小了圆的相离, 相对于现有的填充算法,填充度有了显著提升。     

数控机床滚珠丝杠副优化设计

滚珠丝杠是数控机床重要的传动部件,它的精度与可靠性直接影响加工零件的质量。以滚珠丝杠副的疲劳寿命和静载荷为约束条件,以滚珠丝杠副的体积最小为目标函数建立数学模型,利用Matlab程序实现滚珠丝杠的优化设计。实例证明,该方法在保证滚珠丝杠疲劳寿命和刚度的前提下可有效减小成本,符合产品开发要求。此方法简单、实用,并可应用于同类产品的优化设计。     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。     

系统共因失效分析及其概率预测的离散化建模方法

通过系统层的载荷-强度干涉分析,展示了零件可靠度(或失效概率)的属性、精细结构及其与载荷／强度分布特性之间的关系,分析了传统的零件可靠性干涉分析过程中发生的系统可靠性信息损失问题以及无法通过传统的零件可靠度参数构建一般系统(具有失效相关性的非独立失效系统)可靠性模型的原因。从数学原理方面探讨了载荷-强度作用机制和冗余系统存在“共因失效”这种失效相关性的原因和建立冗余系统共因失效概率模型的方法。最后,建立了能根据系统的有限失效数据预测系统任意阶失效概率的离散化的系统失效概率模型。     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

CFRP汽车防撞梁结构/材料一体化优化设计

针对复合材料汽车防撞梁结构布局和层合板铺层优化问题,提出以防撞梁强度最大为目标,宏观结构与层合板铺层角为变量的结构/材料双尺度优化设计方法。结构层面采用B样条对防撞梁轮廓曲线进行参数化表达,并改变防撞梁截面关键尺寸,构建几何模型;材料层面考虑铺层角对层合板性能带来的影响,采用0°、±45°、90°四种标准铺层角进行铺设。通过自适应遗传算法对结构与材料两个层面的设计变量进行初始化,实现了适用于复合材料汽车防撞梁的结构/材料一体化优化设计。结果表明:防撞梁结构的强度较优化之前升幅为81.41%,且最大等效应力下降至64.885MPa,小于CFRP材料的极限强度,优化结果达到预期效果。     

基于包络法的冗余机器人运动可靠性

为研究7自由度冗余机器人中连杆长度、连杆偏距及关节角对末端执行器运动可靠性的影响,提出一种基于包络法的运动可靠性分析方法。在获得机器人运动学误差函数的基础上,通过1阶泰勒公式将其线性化处理,并采用概率法得到末端执行器位置和姿态的失效模型。采用包络法将时变运动可靠性问题转换成时不变运动可靠性问题,找到轨迹中失效概率最大的点,引入协方差矩阵解析失效极值点与端点之间的内在关系,以多维正态积分计算得到机器人运动可靠度。通过仿真算例对所提方法的有效性进行验证。结果表明：包络法获得的结果与蒙特卡洛法的求解结果基本吻合,求解效率得到了较大的提升;与等效极值法相比,包络法的求解精度较高、鲁棒性较好。     

相关失效结构系统可靠度的近似求解方法

失效相关是机械结构系统的普遍特征，对失效相关结构系统的可靠性分析，一般采用近似方法以简化计算。文中从分析相关程度对结构系统可靠度影响入手，在给定临界相关系数的基础上，按相关程度大小把各失效形式分成强相关、弱相关、中等相关三类，分别采用不同的近似原则，提出失效相关结构系统可靠度近似求解的新方法，对传统求解方法进行改进，有效提高结构系统可靠度求解的计算效率和计算精度。算例验证了方法的可行性。