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水下航行体壳体可靠性分析及优化设计

作　者: 仝晓田
导　师: 李世芸
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械工程
关键词: 水下航行体壳体强度可靠性优化
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 55次
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内容摘要

近年来,随着我国航海技术的发展,水下航行器的应用也越来越广泛,对于其结构的可靠性水平要求也越来越高。本课题来源于昆明某研究所的一项重大水下研发项目——水下航行体的结构设计与研发。课题主要研究对象为水下航行体外部主要承载部件耐压壳体。在初步的结构设计完成后,通过对一批试验管进行实际打压试验发现,个别的试验管经过打压试验后会出现结构破坏或者失效的情况。然而在最初的结构设计中,各舱段壳体结构设计是合理的,壳体强度、刚度也满足正常的设计要求。个别试验管的失效问题,说明了壳体结构的初始设计中所存在的问题已经不是一般的结构强度问题,而是产品的可靠性问题了,部分试验管的失效很有可能就是由于壳体结构的可靠度不高引起的。本文利用先进的计算机辅助设计手段,对壳体结构的可靠性进行了研究及优化,具体做了如下的分析计算工作：(1)在三维CAD环境中对壳体结构进行参数化建模,通过对CAD与CAE之间接口的处理,将参数化模型导入到CAE软件中,并保证在CAE软件中能识别其参数。(2)通过对壳体结构静态特性的有限元分析,得到壳体结构在外载荷作用下的最大应力和最大变形出现的位置,以及最大应力、变形值。并与委托方提供的理论计算数值进行对比,证明壳体结构满足基本的强度和刚度要求,初始结构设计合理,达到了校核验证的目的。(3)在壳体初始结构设计合理的前提下,对壳体结构进行可靠性分析。分析计算结果可以使设计者了解到各个设计变量对于输出变量的影响,设计变量对于输出的灵敏度以及相关系数,获得了壳体结构在设计变量存在不确定性因素下的失效概率或者可靠度。(4)在可靠性分析计算的基础上,对壳体结构在满足其基本强度、刚度以及限定重量的条件下,对其进行可靠性优化设计。优化结果表明,优化后的壳体结构不仅满足结构强度、刚度以及限定重量的要求,可靠性也得到了较大的提高。本论文针对委托方提出的实际工程问题,开展了以上的可靠性分析计算,研究结果为航行体壳体的结构设计提供了一种新的设计方法,满足了实际工程应用,也为同类的机械产品结构设计提供了新的设计思路。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 引言  9-11
  1.2 课题来源及其选题意义  11-13
  1.3 本课题国内外研究现状  13-16
    1.3.1 国外可靠性工程研究现状  13-14
    1.3.2 国内可靠性工程研究现状  14-16
  1.4 本文的研究内容及安排  16-19
第二章航行体壳体有限元理论基础及数值模拟  19-35
  2.1 有限元分析的理论基础  19-25
    2.1.1 弹性力学基本方程  19-21
    2.1.2 有限元平衡方程  21-22
    2.1.3 微小单元的平衡方程和刚度矩阵  22
    2.1.4 六面体单元平衡方程及刚度矩阵  22-23
    2.1.5 四面体单元平衡方程及刚度矩阵  23-25
  2.2 壳体结构的有限元分析计算  25-33
    2.2.1 壳体结构有限元模型的建立  25-29
    2.2.2 壳体结构有限元计算结果及分析  29-33
  2.3 小结  33-35
第三章结构可靠性理论计算方法  35-49
  3.1 可靠性定义  35-37
  3.2 应力-强度干涉模型及可靠度计算  37-41
    3.2.1 应力-强度干涉模型  37-38
    3.2.2 可靠度计算方法  38-41
  3.3 结构可靠性计算方法  41-47
    3.3.1 一次二阶矩法  42-43
    3.3.2 蒙特卡罗法的基本原理  43-45
    3.3.3 响应面法  45-47
  3.4 小结  47-49
第四章航行体战斗部舱段壳体可靠性分析  49-67
  4.1 Ansys Workbench中的可靠性分析  49-51
    4.1.1 Ansys Workbench可靠性分析简介  49-50
    4.1.2 可靠性分析的基本步骤  50-51
  4.2 可靠性分析主要参数及变量分布  51-55
    4.2.1 可靠性分析的主要参数  52
    4.2.2 设计变量的统计处理及计算  52-55
  4.3 壳体结构强度的可靠性分析  55-65
    4.3.1 随机样本的产生  55-56
    4.3.2 响应面模型输入参数对输出参数的影响  56-59
    4.3.3 概率灵敏性及相关系数分析  59-62
    4.3.4 随机变量样本分布柱状图  62-63
    4.3.5 可靠性分析计算结果  63-65
  4.4 小结  65-67
第五章航行体战斗部舱段壳体的优化设计  67-77
  5.1 引言  67
  5.2 一般优化方法与可靠性优化的区别  67-69
  5.3 壳体结构的可靠性优化设计  69-75
    5.3.1 设计变量的选取  71
    5.3.2 目标函数的选取  71-72
    5.3.3 状态变量的选取以及约束条件的确定  72-73
    5.3.4 优化结果及优化前后对比  73-75
  5.4 小结  75-77
第六章总结和展望  77-79
  6.1 主要结论  77
  6.2 展望  77-79
致谢  79-81
参考文献  81-85
附录A 硕士期间发表的论文  85

水下航行体壳体可靠性分析及优化设计

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