结构不确定性断裂分析方法

发布时间：2021-10-11 07:11

　　结构断裂是工程设备破坏的主要原因之一,如飞机机身开裂、压力管道破裂、铁轨与车轴的疲劳断裂等。因制造工艺和服役环境的不同,通常裂纹结构中存在大量不确定性参数,如材料特性、裂纹几何尺寸和外部载荷等。随着装备运行工况的复杂化和可靠性要求的提升,确定性的断裂分析已难以满足结构稳定服役的设计需求,不确定性断裂分析理论应运而生。虽然不确定性断裂分析研究领域长期以来受到关注,但整体而言该领域的研究依然亟待发展和完善,特别针对复杂断裂问题,如多源不确定性断裂分析、随机非均质材料下随机场断裂分析和复杂三维损伤容限不确定性分析等方面尚存在一系列技术难点需要解决。为此,本文针对结构不确定性断裂问题进行系统研究,力求在其不确定性建模与分析方法方面作出一些探索性工作。研究内容主要以结构概率断裂分析为基础,通过考虑不确定性参数或响应的多源性、空间特性和时间特性,针对可考虑认知不确定性的概率断裂、随机场断裂、随机裂纹扩展路径和损伤容限不确定性分析四个关键不确定性断裂科学问题进行拓展研究。最终期望其为结构断裂性能可靠性评估、随机裂纹扩展行为分析及剩余寿命区间估计等提供指导和借鉴,并在将来应用于飞机、高铁、核电设备、桥... 

【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：127 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 结构确定性断裂分析概述
        1.2.1 结构断裂力学
        1.2.2 裂纹和裂纹扩展路径
        1.2.3 损伤容限分析
    1.3 结构不确定性断裂分析概述
        1.3.1 结构不确定性分析理论
        1.3.2 结构概率断裂力学
        1.3.3 随机裂纹扩展路径分析
        1.3.4 概率损伤容限分析
    1.4 结构不确定性断裂分析目前存在的问题
    1.5 本文的研究目标和主要研究内容
第2章 结构概率断裂矩分析方法
    2.1 引言
    2.2 弹性断裂力学基本理论
        2.2.1 裂纹尖端应力场
        2.2.2 断裂准则
    2.3 随机断裂分析
        2.3.1 四阶矩分析
        2.3.2 概率不确定性分析
        2.3.3 应力强度因子的求解
        2.3.4 灵敏度分析
    2.4 数值算例
        2.4.1 Ⅰ型随机断裂
        2.4.2 混合型随机断裂
    2.5 本章小结
第3章 概率区间混合不确定性断裂分析方法
    3.1 引言
    3.2 裂纹结构概率-区间混合可靠性模型
    3.3 裂纹结构概率-区间混合可靠性高效求解
        3.3.1 概率-区间混合响应面法
        3.3.2 近似混合可靠性高效求解
        3.3.3 响应面的更新
    3.4 算法流程
    3.5 数值算例
        3.5.1 对称斜裂纹矩形板问题
        3.5.2 非对称斜裂纹矩形板问题
    3.6 本章小结
第4章 随机非均质材料下的随机场断裂分析方法
    4.1 引言
    4.2 随机非均质材料随机场度量
        4.2.1 Karhunen-Loeve(KL)展开
        4.2.2 IEVP的数值求解
    4.3 基于SBFEM的随机非均质材料结构断裂分析
        4.3.1 随机平衡方程
        4.3.2 基于摄动法的二阶矩分析
        4.3.3 随机场下的结构断裂统计分析
    4.4 数值算例
        4.4.1 随机非均质材料分布特性对结构断裂性能的影响
        4.4.2 随机非均质材料下的断裂统计分析
    4.5 本章小结
第5章 随机裂纹扩展路径降维分析方法
    5.1 引言
    5.2 裂纹扩展路径建模
        5.2.1 子区域的剖分
        5.2.2 网格重划分技术
    5.3 裂纹扩展路径概率分布
        5.3.1 裂纹扩展路径统计建模
        5.3.2 改进的降维积分方法
        5.3.3 随机裂纹扩展路径概率分布
    5.4 数值算例
        5.4.1 边界竖直裂纹平板问题
        5.4.2 四点弯曲边界裂纹平板问题
    5.5 本章小结
第6章 结构损伤容限区间不确定性分析与实验验证
    6.1 引言
    6.2 损伤容限分析法
    6.3 疲劳裂纹扩展寿命区间分析
        6.3.1 疲劳裂纹扩展参数区间度量
        6.3.2 疲劳裂纹扩展区间传播分析方法
    6.4 裂纹扩展寿命区间分析的工程应用
        6.4.1 汽车发动机转子疲劳裂纹扩展寿命预测
        6.4.2 机械齿轮疲劳裂纹扩展寿命预测
        6.4.3 涡轮叶片疲劳裂纹扩展寿命预测
    6.5 疲劳裂纹扩展区间不确定性分析实验验证
    6.6 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
附录B 攻读学位期间所主持或参加的科研项目


【参考文献】：
期刊论文
[1]综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法[J]. 贺小帆,董颖豪,李玉海,刘文珽.  航空学报. 2015(04)
[2]Response-surface-based structural reliability analysis with random and interval mixed uncertainties[J]. HAN Xu,JIANG Chao,LIU LiXin,LIU Jie,LONG XiangYun.  Science China（Technological Sciences）. 2014(07)
[3]直升机旋翼复合材料结构损伤容限设计中的问题[J]. 黄文俊,程小全,赵军.  应用力学学报. 2014(01)
[4]飞机结构的耐久性与损伤容限设计[J]. 王远达,梁永胜,王宏伟.  飞机设计. 2009(01)
[5]基于概率断裂力学汽轮机转子可靠性研究[J]. 胥建群,周克毅,陈锦涛.  汽轮机技术. 2006(05)
[6]基于概率断裂力学的老龄钢桥使用安全评估[J]. 王春生,聂建国,陈艾荣,陈惟珍.  工程力学. 2006(06)
[7]基于概率断裂力学的管道失效分析[J]. 燕秀发,谢禹钧,戴耀.  机械设计. 2004(11)
[8]疲劳裂纹扩展随机模型研究近期进展[J]. 蒋鸣晓,朱位秋.  力学进展. 1999(01)
[9]航空结构损伤容限设计中的三维问题[J]. 郭万林.  航空学报. 1995(02)
[10]基于随机裂纹扩展机制的构件抗力衰减分析[J]. 欧进萍,段忠东.  机械强度. 1994(03)

博士论文
[1]基于区间的不确定性优化理论与算法[D]. 姜潮.湖南大学 2008

硕士论文
[1]承压热冲击事件下含缺陷反应堆压力容器的概率断裂力学分析[D]. 姜凯华.华东理工大学 2012



本文编号：3430038