典型柔顺机构断裂失效分析及稳健优化设计

发布时间：2020-08-08 21:30

【摘要】：近年来,随着柔顺机构应用于精密测量方面、通讯方面、光学方面等高精尖领域中,其需求量逐渐增多。在工程应用中,典型柔顺机构中柔性铰链受到外界环境的影响导致断裂失效,缩短疲劳使用寿命,降低了结构可靠性,严重的可能会引发安全问题。本文采用裂纹分析方法、有限元法、Paris反推疲劳应力方法对直梁型柔性铰链展开断裂失效分析;采用应力场强法、Paris寿命估算法对直梁型柔性铰形成裂纹前和裂纹后的疲劳寿命预测;采用全因子法、稳健优化设计方法对直梁型柔性铰链展开参数优化设计,进一步优化其性能,提高可靠性与稳健性,预防其断裂失效。其主要研究工作如下所示:(1)针对直梁型柔性铰链在工程应用中会受到交变应力作用,从而导致断裂失效的问题,提出了一种基于裂纹分析方法对其进行断裂失效分析。首先采用有限元法建立裂纹模型,再结合Paris反推应力法与有限元方法,建立直梁型柔性铰链断裂失效的最大应力计算近似模型。(2)针对难以预测柔顺机构中直梁型柔性铰链产生裂纹前后疲劳寿命的工程难题,提出了应力场强法、Paris寿命估算法对其进行疲劳寿命预测。对直梁型柔性铰链裂纹前,首先用有限元分析与仿真得到其疲劳寿命S-N曲线,再结合应力场强法构建计算疲劳寿命的数学模型;对直梁型柔性铰链裂纹后,首先构建不同裂纹长度的裂纹模型,再运用有限元仿真分析获得不同裂纹长度的疲劳寿命S-N曲线,再结合Paris剩余寿命估算法建立柔性铰链失效后的疲劳寿命数学模型,最后,通过线性回归分析对柔性铰链失效前后疲劳寿命模型展开方差分析与残差分析验证模型的准确性。(3)针对柔顺机构在工程应用中受到多种因素的影响导致断裂失效,降低结构的可靠性与安全性的难题,提出了全因子法与稳健优化设计方法对其进行结构参数优化的方法。采用全因子法主要通过创建试验设计来获取实验的数据,再根据ANSYS获得试验设计的响应变量,对响应变量展开方差分析与需要优化的目标函数建立响应优化设计模型,根据合意度函数法将响应问题看作求合意度最大的问题,解决结构参数优化设计过程中难以构建响应优化设计模型和常规优化算法难以达到全局参数最优的问题,获得了符合约束条件下优化设计方案;而稳健优化设计主要是进一步优化结构的性能,提高其可靠性与稳健性。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112
【图文】：

图 3.2 材料裂纹张开位移示意图或者用仿真软件获得c ，根据以下公式来计算材料临界裂纹8ln sec2s ccsaE 为裂纹的临界长度，s 为材料的屈服强度， 为机构的工果裂纹尖端受到较小屈服时，COD 与应力强度因子1K ，214sKCODE 2c4= =ICsKCODE 分界值和（3.3）对于定量分析裂纹扩展是十分重要的公式。然而十分短缺，因此，很难准确计算和测量材料裂纹尖端的开

[40]。在 ANSYS 软件 Mechanical 里，可以对裂纹对象 Crack或预划分裂纹对象Pre-Meshed Crack定义及裂纹的定义，其参数细节设置如图3.4所示，其结构如图 3.5 所示。

图 3.4 裂纹参数细节设置图 图 3.5 裂纹结构示意图1.4 柔顺机构最大疲劳应力计算模型的构建利用 Paris 经验公式推导计算最大疲劳应力的基本公式： 1s1=nY ac （3式中，s 是裂纹源区的疲劳条带间距得到的；c、n 是根据柔性铰链的受载情况确力比R ，根据应力比选取材料的裂纹扩展常数 c、n 值；Y 是裂纹形状因子，在确定过程中，一般需要结合构件形状、受载情况，结合裂纹尖端的应力强度因子模型来，绝大多的情况下，Y 是通过查找《应力强度因子手册》确定。a是裂纹长度，需过断口实测得到的[41]。确定 Paris 公式相关参量的值是求解疲劳应力的关键：（1）获取裂纹扩展材料常数 c、n 值da / ndN c K （3

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本文编号：2786139