基于SiPESC平台的弹箭体结构可靠度优化

发布时间：2020-09-30 09:16

　　工程结构设计方法一般可以分为三个层次:安全系数法、分项系数法和可靠性设计法。安全系数法便于工程师使用,但是由于它不能精确度量结构的不确定性,通常会使设计结果偏向保守或危险。可靠度设计直接采用结构可靠度作为设计指标,可以得到合理的设计结果,但是由于设计过程复杂而不能被广泛使用。分项系数法可以充分考虑结构设计中的不确定性,得到便于设计师使用的规范形式。因此,本文提出了根据结构给定可靠度求解分项系数的方法,并基于分项系数进行结构不确定性优化设计,并应用于弹箭体结构设计中。首先,阐述了本文研究工作的背景和意义,总结了相关研究领域的进展,指出基于安全系数的不确定优化设计结果偏向保守或危险,存在局限性。本文提出了基于均值分项系数的不确定性设计方法,并通过数值算例分析了不同随机变量数目、不同功能函数、不同目标可靠度下分项系数的规律,并将基于本文分项系数的优化设计结果分别同基于安全系数和基于可靠度优化的设计结果进行比较,验证了该方法的有效性。然后,针对航天领域典型的正置正交加筋柱壳结构,考虑弯矩和轴压作用建立了基于均值分项系数的轻量化设计模型,开展分项系数法设计,并与安全系数的设计结果和可靠度优化设计结果进行了比较,说明了在实际工程中合理使用已知结构可靠度的设计样本,通过均值分项系数的方法求得结构的分项系数值并作为设计规范,这样既便于设计师使用,又可以得到满足工程需要的设计结果。最后,针对航天领域典型的kagome格栅锥壳结构,建立了基于分项系数的结构轻量化设计模型,并将安全系数法、传统分项系数法、可靠度优化和本文的均值分项系数法的设计结果做对比,发现基于安全系数的优化设计不能满足目标可靠度并且消耗了大量材料;基于改进混沌控制的可靠度优化方法可以获得准确满足目标可靠度的设计;使用基于均值分项系数的不确定性设计可以获得近似满足目标可靠度的设计,其设计优于基于安全系数和基于传统分项系数法的设计,接近可靠度优化设计的结果。此外,针对目前商业化软件中没有用于可靠度优化设计的模块的问题,本文在SiPESC平台构建了弹箭体结构的可靠度优化模块。本文将有限元分析、实验设计方法、代理模型计算、优化设计和可靠度分析集成到同一平台上,形成用于可靠度优化设计的功能模块,解决了传统商业化软件中不存在可靠度优化设计模块的问题。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ7
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外相关研究进展
        1.2.1 基于可靠度的优化设计方法
        1.2.2 安全系数设计方法
        1.2.3 分项系数设计方法
        1.2.4 网格加筋柱壳和格栅结构
    1.3 本文研究内容
2 安全系数法和分项系数法
    2.1 安全系数法
    2.2 分项系数法
    2.3 本章小结
3 基于分项系数的可靠度优化方法
    3.1 一次二阶矩可靠度分析
        3.1.1 可靠度指标法
        3.1.2 功能度量法
    3.2 基于不同不确定性信息水平的可靠度分析
        3.2.1 可靠度分析的不确定信息水平
        3.2.2 基于可靠度的均值分项系数法
        3.2.3 算例分析
    3.3 基于不同不确定性信息水平的可靠度优化
        3.3.1 基于安全系数法的优化设计
        3.3.2 基于一次二阶矩方法自适应混沌控制法的可靠度优化
        3.3.3 基于分项系数法的优化设计
        3.3.4 算例分析
    3.4 本章小结
4 基于分项系数的弹箭体结构可靠度优化
    4.1 实验设计与代理模型
        4.1.1 拉丁超立方实验设计方法
        4.1.2 Kriging代理模型
    4.2 基于SiPESC平台面向弹箭体结构的可靠度优化模块
    4.3 正置正交加筋柱壳的可靠度优化
        4.3.1 加筋柱壳结构的有限元分析
        4.3.2 代理模型的误差分析
        4.3.3 基于代理模型的可靠度优化
    4.4 本章小结
5 格栅锥壳结构基于分项系数的可靠度优化
    5.1 复合材料格栅锥壳结构
        5.1.1 Kagome格栅结构的几何特点
        5.1.2 Kagome格栅锥壳结构的有限元分析
    5.2 复合材料格栅锥壳结构的可靠度优化
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】