机背油箱振动疲劳寿命预测与优化

发布时间：2017-10-03 23:35

  本文关键词：机背油箱振动疲劳寿命预测与优化

  更多相关文章： 机背油箱 有限元方法 共振疲劳 结构优化 遗传算法

【摘要】：飞机结构在飞行中始终处于振动环境中,机背油箱这种金属薄壁结构更容易激发出共振,以致结构产生共振疲劳,对飞行安全构成重大威胁。本文以金属薄壁结构的机背油箱为研究对象,根据模态分析、疲劳分析、结构优化理论,运用有限元分析和Matlab数值求解技术,对处于共振环境中的机背油箱进行疲劳和结构优化研究。主要工作如下:利用MSC.Patran建立了机背油箱的有限元模型,通过虚拟质量法模拟机背油箱中流体和油箱薄壁结构之间的耦合效应。在此基础上,利用Nastran分别对空油箱和有油油箱进行了模态分析和频响分析,为后续疲劳分析做好准备。其次,确定了材料的S-N曲线和油箱振动环境载荷谱,借助MSC.Fatigue平台,根据Miner线性累积损伤准则和Dirlik宽带随机疲劳寿命分析法完成了空油箱和有油油箱的振动疲劳寿命估算,获得了机背油箱结构产生振动疲劳时的危险点及其危险点处的寿命,对结果进行了分析评估。最后,通过机背油箱参数化建模,以机背油箱各个面的厚度作为优化变量,以机背油箱的壁厚和固有频率作为约束,结构总质量为优化目标,基于遗传算法并结合Matlab-Patran-Nastran联合仿真,对机背油箱结构进行了优化。结果表明,以油箱质量最小为优化目标,使得油箱的各阶固有频率远离共振频带,避免了共振疲劳的发生。本文的研究结果表明,利用有限元方法能够对机背油箱振动疲劳寿命进行预测,同时以结构固有频率为约束,通过优化可以避免机背油箱结构的共振疲劳。
【关键词】：机背油箱 有限元方法 共振疲劳 结构优化 遗传算法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V215.5
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 研究背景与研究意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.2.1 疲劳问题发展历史及研究现状16-18
• 1.2.2 振动疲劳问题研究现状18-19
• 1.2.3 结构优化问题研究现状19-20
• 1.2.4 遗传算法研究现状20-21
• 1.3 本文研究内容和研究方法21-22
• 1.4 学位论文结构框架22-23
• 第二章 机背油箱有限元分析23-36
• 2.1 引言23
• 2.2 有限元法23-26
• 2.2.1 有限元法的基本思想23-24
• 2.2.2 有限元法实现过程24-25
• 2.2.3 有限元分析的基本力学方程25-26
• 2.3 MSC.Patran有限元分析软件26-27
• 2.4 机背油箱有限元建模27-29
• 2.4.1 机背油箱几何模型建立27-28
• 2.4.2 机背油箱有限元模型建立28-29
• 2.5 空油箱有限元分析29-31
• 2.5.1 空油箱模态分析29-30
• 2.5.2 空油箱频响分析30-31
• 2.6 有油油箱有限元分析31-35
• 2.6.1 虚拟质量法[53]32-33
• 2.6.2 有油油箱的模态分析33-34
• 2.6.3 有油油箱频响分析34-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第三章 基于MSC.Fatigue的机背油箱疲劳寿命分析36-51
• 3.1 引言36
• 3.2 随机振动和功率谱密度36-37
• 3.3 结构振动疲劳理论基础37-44
• 3.3.1 材料的疲劳特性38-41
• 3.3.2 基于时域的疲劳寿命估算方法41
• 3.3.3 基于频域的疲劳寿命估算方法41-44
• 3.4 MSC.Fatigue疲劳分析软件44-45
• 3.5 机背邮箱振动疲劳寿命估算45-50
• 3.5.1 确定分析载荷谱46
• 3.5.2 确定材料的S -N曲线46-47
• 3.5.3 确定疲劳分析参数47
• 3.5.4 空油箱振动疲劳分析47-48
• 3.5.5 有油油箱振动疲劳分析48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 基于遗传算法的机背油箱结构优化51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 结构优化设计51-53
• 4.2.1 结构优化设计概述51-52
• 4.2.2 结构优化的数学模型52-53
• 4.3 遗传算法53-55
• 4.3.1 遗传算法概述53-54
• 4.3.2 实数编码遗传算法操作54-55
• 4.4 机背油箱壁厚度优化仿真55-62
• 4.4.1 油箱壁优化的数学模型55-56
• 4.4.2 机背油箱的参数化建模56
• 4.4.3 机背油箱壁厚度优化算法实现56-58
• 4.4.4 油箱壁厚度优化结果58-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 5.1 本文主要工作与贡献63-64
• 5.2 未来工作展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文70

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