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高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法研究进展

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力学学报 2024年第2期56卷 310-326页

作者：郝鹏杨浩冯少军王博工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学工程力学系辽宁大连116024

不确定性客观存在于工程结构生产制造以及服役等各环节之中并对结构的承载性能影响显著.特别是对于服役条件苛刻的航空航天承载装备,在设计阶段考虑多源不确定性的影响对于结构安全至关重要.在众多不确定性分析方法中,逆可靠度分析方法... 详细信息

不确定性客观存在于工程结构生产制造以及服役等各环节之中并对结构的承载性能影响显著.特别是对于服役条件苛刻的航空航天承载装备,在设计阶段考虑多源不确定性的影响对于结构安全至关重要.在众多不确定性分析方法中,逆可靠度分析方法在效率和稳健性方面具有一定优势.为此,国内外学者在高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法方面开展了大量研究并取得了长足进步,包括自适应迭代控制算法、先进可靠度优化策略与非充分样本下的高置信水平设计方法等.本文首先对国内外逆可靠度分析与优化方法取得的进展进行了系统梳理与总结,特别是逆可靠度分析方法的发展历程以及面临的挑战问题,主要包括强非线性功能函数、多设计点以及低失效概率问题.进一步,针对长期困扰可靠度方法实际应用的小样本问题,重点从结构高置信水平可靠度分析与优化理论角度开展系统介绍,详细论述了小样本诱发的认知不确定性到可靠度置信水平的传播链条.最后,基于现有成果和国家重大前沿需求,重点围绕航天装备可重复使用需求对结构可靠度未来研究方向进行了思考与展望,期望相关研究成果能够进一步助力我国航空航天结构实现高可靠性与极致轻量化设计.

关键词：航空航天结构逆可靠度分析可靠度优化设计置信水平优化设计小样本

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姿控飞轮轴承供油器设计与精准供油分析

计算力学学报 2024年第3期41卷 499-505页

作者：刘玉浩武洪凯张宇翔吴承伟大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室大连116024

姿控飞轮转子系统是飞行器飞行姿态的重要控制部件,对轴承精准润滑与供油可靠性提出了严格要求。基于固体间隙密封的反向设计原理,本文设计了一种依靠离心力自动调节轴承供油率的微型供油器,充分利用两个轴承之间的狭小空间,结构简单且... 详细信息

姿控飞轮转子系统是飞行器飞行姿态的重要控制部件,对轴承精准润滑与供油可靠性提出了严格要求。基于固体间隙密封的反向设计原理,本文设计了一种依靠离心力自动调节轴承供油率的微型供油器,充分利用两个轴承之间的狭小空间,结构简单且可靠性高。首先建立了供油速率的流固耦合理论分析模型,得到了供油速率的半解析解,研究了供油器过盈接触面的几何参数等对供油速率的影响规律,发现供油器的供油速率与供油量可以通过优化过盈配合界面的几何尺寸、表面粗糙度和过盈配合压力等来实现精确控制,供油速率与过盈接触界面名义间隙的立方和周向长度成正比,与润滑油粘度和接触面轴向宽度成反比。供油率与轴承转速的平方成正比,使得轴承在高速运转时可以自动得到足够的润滑油。此技术可以应用于航天航空器的精密姿控飞轮系统以及其他各类精密轴承转子系统的供油设计。

关键词：飞行器轴承润滑供油器姿控飞轮

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基于渐近分析法的复杂截面梁振动分析

力学学报 2024年第2期56卷 494-505页

作者：宋子文孙直朱一超大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学宁波研究院浙江宁波315016

梁结构在工程工业中发挥着重要的作用,梁的自振问题能够体现其本征动力学特性,是梁动力学分析中的基本问题.经典梁理论的提出往往基于不同的假设,文章采用渐近分析的方法,以梁的截面尺寸与长度之比为特征参数,严格地推导了三维梁结构的... 详细信息

梁结构在工程工业中发挥着重要的作用,梁的自振问题能够体现其本征动力学特性,是梁动力学分析中的基本问题.经典梁理论的提出往往基于不同的假设,文章采用渐近分析的方法,以梁的截面尺寸与长度之比为特征参数,严格地推导了三维梁结构的一维等效振动分析模型.基于梁结构几何特征的参数的引入,有助于确定梁结构应力场和位移场等物理量之间的真实量级关系.渐近分析结果表明,纯弯曲变形只是细长梁振动分析中的首阶项,对于复杂截面梁结构仍然可以使用与欧拉梁模型复杂度相似的一维等效梁模型进行振动分析.以精细三维有限元的计算结果为基准,验证了所提出的一维等效梁模型用于振动分析的准确性和有效性.一维等效梁模型可以在商业有限元软件中通过自定义截面等内嵌模块便捷地实现.对比有限元软件中多种梁单元的计算结果发现,在相似的模型复杂度下,等效模型对细长梁自振频率的分析精度与稳定性显著优于在商业有限元软件中直接选择复杂梁截面使用梁单元计算的结果.

关键词：渐近分析法复杂截面欧拉梁自由振动

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三维波纹型可延展结构振动特性的辛分析

计算力学学报 2024年第2期41卷 275-282页

作者：姜宇王博张博涵陈飙松邓子辰西北工业大学工程力学系西安710072 大连理工大学工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室大连116024

基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voig... 详细信息

基于三维组装技术的可延展结构具备优异的延展性和可调控性,使其成功应用于各类可延展电子器件的制备中。为了评估该类电子器件的稳定性,本文研究三维波纹型可延展结构的振动行为。首先,基于非线性的Euler-Bernoulli梁理论、Kelvin-Voigt粘弹性理论和考虑压电材料的表面压电效应,建立三维波纹结构的理论分析模型;其次,基于能量原理和扩展拉格朗日运动原理,推导出该结构的动力学控制方程;然后采用二级四阶辛Runge-Kutta求解该动力学方程。通过数值仿真实验验证了辛算法的优越性,同时,还发现随着三维波纹型可延展结构外界激励及其结构参数的变化,该结构的振动特性会从倍周期向分岔和混沌转化;本文结果为三维波纹型可延展结构的优化设计及应用提供理论基础。

关键词：可延展结构屈曲辛Runge-Kutta 压电薄膜

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近断层地震下连续梁桥随机振动与易损性分析

哈尔滨工程大学学报 2024年第3期45卷 526-534页

作者：周政唐光武高文军陈国海杨迪雄大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本... 详细信息

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本文提出了基于直接概率积分法的连续梁桥结构非线性随机振动响应与地震易损性准确、通用分析的新框架。发展直接概率积分法,准确高效地计算连续梁桥结构的随机振动响应;结合连续梁桥多种失效状态,根据动力可靠度的首次超越破坏准则,利用直接概率积分法对连续梁桥进行了地震易损性分析。最后,展示了近断层随机地震动激励作用下四跨非线性连续梁桥算例结果,验证了直接概率积分法的准确性特点。比较了近断层脉冲型和无脉冲地震动对非线性连续梁桥地震易损性曲线的影响。结果表明:近断层地震动的速度脉冲显著加剧了连续梁桥结构受到的地震破坏,增大了桥梁结构进入不同破坏状态的超越概率。

关键词：连续梁桥近断层地震动随机振动地震易损性分析直接概率积分法速度脉冲多种失效状态动力可靠度

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面向结构静力试验监测的高精度数字孪生方法

航空学报 2024年第7期45卷 283-294页

作者：田阔孙志勇李增聪大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系大连116024

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行... 详细信息

试验验证和数值仿真是评估结构强度的两种典型方法,然而基于离散传感器的试验验证方法难以保证结构应力监测覆盖度,数值仿真方法又因为对物理实体的简化和理想化处理而导致应力结果精度不足,如何综合利用两种强度评估方法的优势并进行数据融合以实现结构应力场监测是一个具有挑战性的问题。提出一种面向结构静力试验监测的数字孪生(DT-SSTM)方法,可获得高精度的结构静力试验数字孪生模型,以实现结构应力场的实时监测与强度评估。DT-SSTM方法包括离线、在线2个阶段。离线阶段,采用梯度提升树(GBDT)算法对仿真数据进行训练,建立预训练模型。在线阶段,基于集成学习理论,采用Stacking算法对试验数据响应值与预训练模型响应值之间的残差进行训练并建立残差模型。通过叠加预训练模型与残差模型实现多源数据融合,建立高精度的数字孪生模型。最后,开展了开口矩形壁板轴向拉伸试验来验证DT-SSTM方法的有效性。结果表明,DT-SSTM方法能够建立高精度的结构静力试验数字孪生模型,且相比同类数据融合方法具有更高的全局、局部预测精度以及融合效率,为结构应力场实时监测提供了一种新颖的解决方案。

关键词：数字孪生壁板结构数据融合应力场监测集成学习

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基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法

航空学报 2024年

作者：张澍田阔郭聪大连理工大学工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室工程力学系

航天结构优化中常面临设计空间复杂、非线性程度高等问题，基于高保真度模型优化耗时长，难以在紧迫的研发周期内完成优化设计。对此，本文提出了一种基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法。首先，针对优化问题建立高、中、低保真度... 详细信息

航天结构优化中常面临设计空间复杂、非线性程度高等问题，基于高保真度模型优化耗时长，难以在紧迫的研发周期内完成优化设计。对此，本文提出了一种基于多重保真度的复杂空间缩减与优化方法。首先，针对优化问题建立高、中、低保真度的分析模型；进而，在初始设计空间中采样并基于低、中保真度数据构建代理模型，基于模糊C均值方法聚类，得到初始缩减空间；然后，在初始缩减空间内采样高保真度样本点，基于中、高保真度数据构建代理模型；最终，开展优化并根据响应值最优样本点的位置移动缩减空间，优化迭代得到最优解。为验证提出方法的有效性，针对测试函数算例和多级加筋壳工程算例开展研究。结果表明，对测试函数，提出方法优化得到的最优解和全局最优解的相对误差降低了68.4%和44.4%；对工程算例，提出方法优化得到的极限承载力相对传统单、变保真度优化方法提高了9.0%和14.7%。同时，相比前期工作提出的变保真度静态缩减空间方法，在达到相同极限承载力水平时计算耗时降低了41.5%。综上所述，所提出优化方法可以充分利用多重保真度数据，对复杂耗时的航天结构工程优化问题具有优化效率高、全局寻优能力强等优势。

关键词：结构优化空间缩减多重保真度模型多级加筋壳模糊聚类

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基于双向密度函数的空天轴对称结构拓扑优化

航空学报 2024年

作者：时永鑫田阔王博大连理工大学工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室工程力学系

通过拓扑优化得到的结构优化构型往往因存在内部封闭孔洞而导致难以满足工艺约束。为实现对拓扑优化结果的特定形状控制，本文面向空天装备中的轴对称结构，基于变密度法提出了一种双向密度分布函数。通过将设计变量由每个单元的伪密度... 详细信息

通过拓扑优化得到的结构优化构型往往因存在内部封闭孔洞而导致难以满足工艺约束。为实现对拓扑优化结果的特定形状控制，本文面向空天装备中的轴对称结构，基于变密度法提出了一种双向密度分布函数。通过将设计变量由每个单元的伪密度转化为双向密度分布函数的控制参数，拓扑优化过程中结构材料将沿特定方向变化，最终的伪密度场分布也将随着双向密度分布函数具体表达形式的不同而改变。然后，本文使用一种线性加权过滤方法对设计变量进行过滤以获得更加光滑的材料边界。进而，针对结构质量和最大von Mises应力响应，分别开展了二者对设计变量的敏度分析，并搭建了在质量约束下，结构最大von Mises应力最小化的拓扑优化框架。同时，避免拓扑优化过早陷入局部最优解，在迭代过程中针对灰度单元控制参数和应力P-范数系数采用了延拓更新的方式。最后，使用典型空天轴对称结构航空发动机轮盘开展算例验证，优化过程中在满足质量约束的前提下，材料分布朝着应力最小化的方向逐步演化，得到的拓扑优化构型材料/孔洞界面清晰，应力分布均匀，材料利用率高，证明了所提出方法的有效性。

关键词：拓扑优化双向密度分布函数空天轴对称结构敏度分析制造约束

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曲面加筋结构拓扑优化结果参数化重构方法

航空学报 2024年

作者：金栢成田阔黄蕾大连理工大学工业装备结构分析优化与cae软件全国重点实验室工程力学系

曲面加筋结构拓扑优化密度场结果，存在不连续、过小结构特征等问题，难以直接应用于后续精细设计及加工制造，而基于人工经验进行的特征提取及模型重构，存在操作繁琐、重构周期长等问题。针对上述问题，提出了一种面向曲面加筋结构拓... 详细信息

曲面加筋结构拓扑优化密度场结果，存在不连续、过小结构特征等问题，难以直接应用于后续精细设计及加工制造，而基于人工经验进行的特征提取及模型重构，存在操作繁琐、重构周期长等问题。针对上述问题，提出了一种面向曲面加筋结构拓扑优化结果的参数化重构方法。首先，针对曲面加筋拓扑优化结果，建立一种三维曲面空间与二维平面空间的映射关系，并基于正向网格映射实现曲面优化结果向平面优化结果的转换；然后，针对平面优化结果，基于图像形态学方法实现轮廓特征参数化提取，并采用样条曲线插值方式实现几何模型重构，获得平面优化结果参数化模型；最后，基于逆向映射网格映射方法，获得曲面优化结果参数化模型，实现曲面加筋结构拓扑优化结果的参数化重构。基于所提出的方法，以承力筒、舱门及密封舱这3种典型曲面加筋结构为对象开展算例研究，并将重构结果与优化结果进行对比。结果表明，参数化重构模型的结构响应与拓扑优化结果误差在5%以内，表明提出的方法具有优异的重构精度。

关键词：曲面加筋结构网格映射图像形态学特征提取参数化重构