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A novel stochastic collocation method for uncertainty propagation in complex mechanical systems

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2015年第2期58卷 47-54页

作者： qi wuchao TIAN SuMei qiU ZhiPing Faculty of Aerospace Engineering Shenyang Aerospace University Institute of Solid Mechanics Beijing University of Aeronautics and Astronautics

This paper presents a novel stochastic collocation method based on the equivalent weak form of multivariate function integral to quantify and manage uncertainties in complex mechanical systems. The proposed method, which combines the advantages of the response surface method and the traditional stochastic collocation method, only sets integral points at the guide lines of the response surface. The statistics, in an engineering problem with many uncertain parameters, are then transformed into a linear combination of simple functions' statistics. Furthermore, the issue of determining a simple method to solve the weight-factor sets is discussed in detail. The weight-factor sets of two commonly used probabilistic distribution types are given in table form. Studies on the computational accuracy and efforts show that a good balance in computer capacity is achieved at present. It should be noted that it's a non-gradient and non-intrusive algorithm with strong portability. For the sake of validating the procedure, three numerical examples concerning a mathematical function with analytical expression, structural design of a straight wing, and flutter analysis of a composite wing are used to show the effectiveness of the guided stochastic collocation method.

关键词： uncertainty propagation stochastic collocation method equivalent weak form guided surface statistics

Structural reliability analysis and reliability-based design optimization: Recent advances

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Science China(Physics,Mechanics & Astronomy) 2013年第9期56卷 1611-1618页

作者： qiU ZhiPing HUANG Ren WANG XiaoJun qi wuchao Institute of Solid Mechanics Beihang University College of Aerospace Engineering Shenyang Aerospace University

We review recent research activities on structural reliability analysis,reliability-based design optimization(RBDO) and applications in complex engineering structural *** novel uncertainty propagation methods and reliability models,which are the basis of the reliability assessment,are *** addition,recent developments on reliability evaluation and sensitivity analysis are highlighted as well as implementation strategies for RBDO.

关键词： uncertainty propagation reliability assessment reliability-based design optimization hybrid reliability

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内埋弹舱弹射冲击载荷特性研究

兵工学报 2019年第4期40卷 889-896页

作者：祁武超刘恒金德玉沈阳航空航天大学航空宇航学院辽宁沈阳110136

内埋弹舱采用弹射方式投放武器,在弹射瞬间会对上部隔框、进气道等结构产生很大的冲击载荷,需要准确计算内埋弹舱的弹射冲击载荷以供结构设计使用。建立导弹弹射机构动力学模型,通过对舱体结构挂点处分别进行刚性或柔性化处理,得到挂点... 详细信息

内埋弹舱采用弹射方式投放武器,在弹射瞬间会对上部隔框、进气道等结构产生很大的冲击载荷,需要准确计算内埋弹舱的弹射冲击载荷以供结构设计使用。建立导弹弹射机构动力学模型,通过对舱体结构挂点处分别进行刚性或柔性化处理,得到挂点连接形式对冲击载荷的影响;研究了不同类型作动筒输出的作动力形式和峰值与冲击载荷特性之间关系,分析了弹射架改型设计后挂弹质量对冲击载荷特性的影响。研究结果表明,柔性化连接形式可正确描述冲击载荷的传递过程,且峰值前置的作动力形式提供了更好的弹射效果,挂弹质量与作动力峰值之间关系可指导改型弹射系统的任务包线。

关键词：内埋弹舱刚性-柔性耦合弹射装置冲击载荷

基于LCF-Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

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固体力学学报 2020年第4期41卷 379-390页

作者：赵维涛陈欢祁武超沈阳航空航天大学航空宇航学院沈阳110136

针对多失效模式下结构体系可靠度计算中的代理模型构建成本与计算精度如何权衡的问题,论文以减小体系失效概率预测方差为出发点,推导出最大贡献函数(LCF-Largest Contribution Function)来识别对体系失效概率方差影响较大的样本.LCF函... 详细信息

针对多失效模式下结构体系可靠度计算中的代理模型构建成本与计算精度如何权衡的问题,论文以减小体系失效概率预测方差为出发点,推导出最大贡献函数(LCF-Largest Contribution Function)来识别对体系失效概率方差影响较大的样本.LCF函数可减少对体系失效概率方差影响较小区域内样本数量,进而提高代理模型的计算效率;通过置信水平和允许相对误差建立LCF函数的学习停止条件,能够保证已有样本信息不浪费.论文选取能够对多个功能函数联合构建的多输出Kriging模型作为代理模型,基于LCF-Kriging模型并结合MCS对体系可靠度进行计算,功能函数的相关性可通过各失效模式的逻辑关系予以考虑.数值算例表明,在适当的学习停止条件下,对于串联、并联和串并混联的结构体系可靠度评估,论文方法均能在计算精度和计算效率之间达到满意平衡.

关键词：结构可靠度多失效模式 Kriging模型最大贡献函数失效概率方差置信水平

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大展弦比等剖面多段折叠翼颤振特性

兵工学报 2022年第12期43卷 3200-3210页

作者：田素梅张应鹏张贺铭祁武超沈阳航空航天大学航空发动机学院辽宁沈阳110136 沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与仿真重点实验室辽宁沈阳110136

对大展弦比多段折叠翼的颤振特性进行研究,使用弯扭组合梁元模拟机翼弯曲和扭转两种变形形态,结合修正的气动片条理论,得到大展弦比机翼不同折叠姿态下的颤振速度和颤振频率数据。考虑到各段机翼折叠角的变化,基于有限元理论建立包含折... 详细信息

对大展弦比多段折叠翼的颤振特性进行研究,使用弯扭组合梁元模拟机翼弯曲和扭转两种变形形态,结合修正的气动片条理论,得到大展弦比机翼不同折叠姿态下的颤振速度和颤振频率数据。考虑到各段机翼折叠角的变化,基于有限元理论建立包含折叠角参数的结构动力学模型,并通过模态截断将其缩减并解耦。根据Theodorsen非定常气动力理论在频域内修正弯扭组合梁元上的气动升力和俯仰力矩,并基于V-g(V为机翼与未扰空气之间的相对速度,g为人工结构阻尼)法引入人工结构阻尼,对在不同折叠状态下的多段折叠翼进行颤振计算。研究结果表明:机翼结构的固有频率会随着折叠角的变化呈现非线性增长形态,而颤振速度和颤振频率随折叠角的变化规律基本相同,且外侧机翼折叠角的存在可有效提高机翼的颤振速度;当固定最外侧段机翼的折叠角时,机翼段数的增加对颤振速度的影响不明显。

关键词：颤振多段折叠翼大展弦比弯扭组合梁元

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镁合金带解锁装置热冲击断裂特性及拓扑优化

兵器装备工程学报 2023年第11期44卷 47-56页

作者：祁武超刘炳宏田素梅沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与仿真重点实验室沈阳110136 沈阳航空航天大学航空发动机学院沈阳110136

分析了镁合金带解锁装置在发动机高温高压尾喷气流作用下的断裂特性并进行了拓扑优化设计。首先,构建了发动机喷管尾部受镁合金带阻挡的二维、可压缩、非定常流场分析模型,得到不同时刻镁合金带表面特征点处的压力曲线和温度曲线;其次,... 详细信息

分析了镁合金带解锁装置在发动机高温高压尾喷气流作用下的断裂特性并进行了拓扑优化设计。首先,构建了发动机喷管尾部受镁合金带阻挡的二维、可压缩、非定常流场分析模型,得到不同时刻镁合金带表面特征点处的压力曲线和温度曲线;其次,基于有限元法分别计算初始构型镁合金带在尾喷气流压力和温度共同作用下的响应,分析不同因素对镁合金带断裂特性的影响;之后,基于“薄弱环节”的思想设计了5种构型的镁合金带,并基于Johnson-Cook失效模型和瞬态分析过程分别得到其在热冲击环境下的断裂时间;最后,基于所发展的具有双层嵌套特征的变密度法对镁合金带中部受热冲击区域进行拓扑优化,以材料剩余体分比为优化变量并以规定的断裂时间为目标,得到镁合金带的最优拓扑构型。基于几何重构进行了验证,优化后的镁合金带能够满足设计要求。

关键词：镁合金带解锁装置热冲击断裂 Johnson-Cook失效模型拓扑优化

基于Copula函数及确定优化的结构可靠度评估

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兵器装备工程学报 2018年第12期39卷 196-201页

作者：赵维涛李久安祁武超沈阳航空航天大学航空宇航学院沈阳110136

为避免由于节点间距选择不当引起的结构可靠性评估误差,提出了一种基于Copula函数和确定性优化的结构可靠度评估方法。该方法在已有的可靠度评估方法的基础上,引入确定性优化求解焦元区间上的极值点,再由证据理论判定方法求得可靠度区... 详细信息

为避免由于节点间距选择不当引起的结构可靠性评估误差,提出了一种基于Copula函数和确定性优化的结构可靠度评估方法。该方法在已有的可靠度评估方法的基础上,引入确定性优化求解焦元区间上的极值点,再由证据理论判定方法求得可靠度区间。计算结果表明:该方法对于极限状态函数为线性、非线性和隐函数均具有满意的计算结果,且计算效率较高。

关键词：结构可靠度相关性 Copula函数确定性优化

一种弯曲主导型热膨胀点阵超材料的带隙特性研究

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人工晶体学报 2020年第10期49卷 1782-1786页

作者：刘成龙许卫锴吕树辰祁武超沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与仿真重点实验室沈阳110136

当前科技的发展对材料的多功能性提出了更高的要求。本文利用有限元法针对一种具有三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料(JTCLM)进行了带隙研究,并讨论了几何参数对JTCLM单胞带隙的影响。结果表明,当JTCLM单胞存在弯曲曲率时将会产生带... 详细信息

当前科技的发展对材料的多功能性提出了更高的要求。本文利用有限元法针对一种具有三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料(JTCLM)进行了带隙研究,并讨论了几何参数对JTCLM单胞带隙的影响。结果表明,当JTCLM单胞存在弯曲曲率时将会产生带隙,且材料的几何参数对JTCLM点阵复合材料的带隙具有显著的影响。结果为实现热膨胀/带隙双目标的超材料设计提供了理论基础。通过合理的选材和形状设计,有望实现特定膨胀性质和带隙设计的双目标共赢,使材料具有更好的可调谐性和多功能性。

关键词：点阵超材料带隙特性声子晶体热膨胀周期结构

仿绿头鸭扑翼飞行器的低速飞行气动特性仿真研究

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无人系统技术 2024年第2期7卷 39-50页

作者：祁武超高展通田素梅沈阳航空航天大学辽宁省飞行器复合材料结构分析与仿真重点实验室沈阳110136

针对仿绿头鸭扑翼飞行器,在刚性扑动基础上引入了展向弯折和弦向扭转两种运动方式,提出了4种不同扑动路径的描述方程,并对其低速飞行气动特性进行了研究。首先,根据绿头鸭翼翅外形选择NACA 6411翼型并对其弯度和长度进行修正,通过放样... 详细信息

针对仿绿头鸭扑翼飞行器,在刚性扑动基础上引入了展向弯折和弦向扭转两种运动方式,提出了4种不同扑动路径的描述方程,并对其低速飞行气动特性进行了研究。首先,根据绿头鸭翼翅外形选择NACA 6411翼型并对其弯度和长度进行修正,通过放样创建扑翼几何构型。之后,基于动网格技术构建扑翼流场网格模型,包含刚性扑动、机翼弯折和机翼扭转等3种不同扑动形态。最后,使用Fluent进行瞬态仿真,基于压力耦合求解器和k-ω湍流模型得到不同扑动形态下飞行速度为2 m/s时的气动特性。结果表明,在低速飞行时,非对称扑动效应、展向弯折效应和弦向扭转效应均可起到增加升力、降低阻力的效果。所提出的3个扑动模型相对传统的对称刚性扑动模型分别能提高3.89%、14.78%、24.44%的升力,其中弯扭组合形式的扑动提供的推力能够抵消前飞时的空气阻力。

关键词：扑翼飞行器微小型飞行器仿生动网格柔性扑动气动特性