基于非概率可靠性的起重机金属结构优化设计

发布时间：2017-09-28 00:14

  本文关键词：基于非概率可靠性的起重机金属结构优化设计

  更多相关文章： 起重机 不确定性 非概率可靠性 响应面法 优化设计

【摘要】：起重机是减少体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的辅助工具设备,其普遍应用于机械制造、港口、建筑、交通等领域。起重机金属结构是起重机设备的主要组成部分,其用来承受和传递起重机设备负担的各种工作载荷和自然载荷,因此其设计的好坏对起重机的整体性能起相当大的作用。起重机结构传统的优化设计是基于确定性进行的,而在实际工程中结构参数存在的不确定性可能会导致结构不满足可靠性要求。概率可靠性理论能够处理参数的不确定性,但其需要足够多的数据来构建概率可靠性模型,而在实际工程中较难获得这些数据。非概率可靠性凸集理论用区间模型来描述这类不确定但有界的参数,只需获得参数的边界,其模型构造简单,具有较强的适用性。在基于区间模型的可靠性分析基础上,考虑到起重机结构的极限状态方程不易直接求出,提出了基于响应面法的非概率可靠性优化方法对起重机金属结构进行优化设计。首先,基于响应面基本理论,用二次多项式拟合结构的极限状态函数,基于椭球模型和区间模型对算例进行非概率可靠性分析,对比分析在这两种模型下计算出的非概率可靠性指标,阐述这两种模型之间的差异与联系。其次,非概率可靠性优化是一个两层嵌套的优化问题,外层优化是优化与结构性能相关的目标函数,约束条件是满足非概率可靠性要求,内层优化则是在满足极限状态函数的条件下,获得非概率可靠性指标。针对此问题,外层优化采用遗传算法进行迭代计算,内层优化使用MATLAB优化工具箱进行求解,通过算例验证了提出的方法是正确可行的。最后,选择桥式起重机主梁结构为本文的研究对象,对其进行非概率可靠性优化设计。首先运用ANSYS-APDL语言对主梁结构进行参数化建模,然后对其进行强度和刚度的校核计算;选择主梁结构中的不确定参数与设计变量,利用Isight软件构建起重机主梁结构强度和刚度的响应面模型,基于区间模型对主梁结构进行非概率可靠性分析;然后以主梁结构的体积为目标函数,对其进行传统结构优化和非概率可靠性优化,对优化结果进行分析,结果表明传统优化的结果不满足可靠性要求,非概率可靠性优化的结果满足可靠性要求且有效减小了主梁结构的体积。本文基于响应面模型,考虑到结构参数的不确定性,对起重机主梁结构进行非概率可靠性优化,所述方法对于含不确定参数的复杂结构的优化设计具有一定的参考价值和意义。
【关键词】：起重机 不确定性 非概率可靠性 响应面法 优化设计
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH21
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-19
• 1.1 课题研究的目的和意义13-14
• 1.2 可靠性分析方法14-17
• 1.2.1 概率可靠性分析方法14-16
• 1.2.2 非概率可靠性分析方法16-17
• 1.3 课题来源和主要研究内容17-19
• 2 基于响应面法的非概率可靠性分析19-35
• 2.1 响应面方法19-26
• 2.1.1 引言19
• 2.1.2 响应面方法的基本理论19-23
• 2.1.3 响应面建模的统计评价23-24
• 2.1.4 试验设计24-26
• 2.2 非概率可靠性研究26-34
• 2.2.1 非概率可靠性模型26-29
• 2.2.1.1 区间模型27
• 2.2.1.2 椭球模型27-29
• 2.2.2 非概率可靠性指标的求解29-32
• 2.2.3 数值算例32-34
• 2.3 本章小结34-35
• 3 非概率可靠性优化设计35-46
• 3.1 可靠性优化的数学模型35-36
• 3.2 基于区间模型的非概率可靠性优化36-40
• 3.2.1 基于MATLAB的内层优化37-39
• 3.2.2 基于遗传算法的外层优化39-40
• 3.3 数值算例40-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 起重机结构的非概率可靠性优化设计46-65
• 4.1 主梁结构有限元参数化建模46-53
• 4.1.1 主梁及轮轨的几何模型46-49
• 4.1.2 材料属性及单元选择49
• 4.1.3 单元网格划分49-50
• 4.1.4 接触设定50-51
• 4.1.5 载荷施加及边界约束51
• 4.1.6 QG20/5t-31.5m主梁结构的建模51-53
• 4.2 起重机主梁有限元分析53-55
• 4.2.1 强度计算及校核53-54
• 4.2.2 刚度计算及校核54-55
• 4.3 起重机主梁可靠性分析55-58
• 4.3.1 主梁结构响应面建模56-58
• 4.3.2 主梁结构可靠性分析58
• 4.4 起重机主梁优化设计58-64
• 4.4.1 主梁结构数学模型59-61
• 4.4.2 优化结果分析与校核61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 全文总结与展望65-67
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 研究展望66-67
• 参考文献67-71
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果71-72
• 致谢72

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本文编号：932714