不确定性分析和结构优化新方法及其在热防护系统的应用

发布时间：2020-06-23 01:09

【摘要】：目前,绝大部分复杂系统设计仍然采用安全系数法等简化的规则和策略。设计通常基于工程评价和经验而过于保守,无法直接考虑大部分输入参数的随机特性。随着现代工程产品对关键和复杂设计需求的增加,越来越需要能够对广泛存在于计算模型、载荷、几何、材料性能、加工过程以及使用环境中的不确定性进行精确评估的计算方法。众所周知,不确定性评估及设计优化是结构设计中最为关心的两个方面。因而,一方面,本文将考虑采用可以同时处理连续及离散变量的子集模拟优化方法解决桁架结构混合尺寸和形状设计优化问题,并通过15杆平面桁架、18杆平面桁架、一个39杆空间桁架和一个无人飞行器的桁架式起落架四个算例展示其搜索性能。另一方面,本文将关注在结构设计中能够将概率与优化整合到一个设计框架内的可靠性设计优化问题,采用整合广义子集模拟方法的后处理近似方法近似概率约束条件,从而将原始两层问题转化为单层确定性优化问题求解,并由三个标准算例验证该方法的特性。基于上述各类方法,本文将关注不确定性分析及结构优化在可重复使用运载器概念设计阶段非烧蚀热防护系统设计中的应用。采用广义子集模拟方法以及空间分割蒙特卡洛全局灵敏度分析方法进行热防护系统设计不确定性分析。该不确定性分析过程主要包括不确定性及失效模式定义、失效概率评估、基于方差的一阶全局灵敏度计算以及基于灵敏度指标的模型简化过程等。首先,通过一种热防护系统材料(叠层)选取方案和基于序列二次规划优化方法的热防护系统尺寸设计给出一系列名义值。这些名义值包括许用温度极限和热防护系统(叠层)材料厚度,它们均为其中一些不确定性输入变量的分布参数。其次,在构造失效模式时采用多输入-多输出支持向量机模型近似热响应,从而大大降低计算量。再次,通过两个应用算例(一个升力体模型以及一个航天飞机模型)展示该不确定性分析方法的性能及操作过程。然后,也将两个算例不确定性分析计算结果中失效概率较大的节点进行了可靠性设计优化。最后,采用子集模拟优化方法求解同时考虑热防护系统材料选取和热防护系统尺寸设计的优化问题。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V414.19;V445.1
【图文】：

结构可靠性分析

同时，他们也指出：线性近似方法在处理很多问题时会出题。Engelund 和 Rackwitz[13]选用一系列评估判据，通过可靠度分析最广泛的的重要抽样方法，并严格根据算例结果给出这些方法的优 Pradlwarter[14]构建了堤坝模型、杜芬激振器模型以及五层剪切梁模型可靠度问题。它们涵盖了实际工程应用中倍受重视的且材料属性及载非线性系统。通过比较现有各类可靠性分析方法处理这些问题的 Pradlwarter 总结了各类方法处理高维可靠性问题的优势与劣势，为要依据，同时也给未来可靠性工程领域的新方法及新技术的提出和发ller 和 Pradlwarter[14]还指出：各类方法目前仍然无法兼顾高效性和适用法更重视计算效率而较为忽视方法本身的普遍适用性。因此，他们建更强的新方法的研究。新方法不仅具有高效率，同时又能像处理线性对各种需研究区域的搜索和探究。分析方法的体系逐步在这些研究工作的基础上构建起来。该体系涵盖1.1 所示。下面将重点介绍三类方法。

平方和,情形,裕度,热防护系统

护系统不确定性分析方法通常在一定程度上局限性较大，它动加热预测和热防护系统尺寸评估中各元素指定不确定性中，研究者们[161-163]进行了一些较为严格的不确定性评估的无法处理更为常见也亟待解决的非线性、多变量分析问题析的传统方法主要包括两种，一种为最坏情形堆叠法（Sta根值法（Root-Sum-Square, RSS）[164,165]（见图 1.2）。最坏的基础上进行所需厚度裕度的计算，它往往过于保守。平方性计算获得的总厚度裕度与名义工程环境的材料响应模型的平方和根植作为所需的厚度裕度，而最终热防护系统厚度安全系数，该方法往往只适用于一些线性误差较小的问题关于安全系数如何选取的统一规范以及附加厚度对过热失效的是：如果不能正确评估潜在的各类不确定性分量，上述两着空天技术不断发展和任务要求日益提高，采用足够大的笼统地考虑在内而不进行精确分析的设计思路已越来越无

【参考文献】