基于随机-区间混合不确定性的风机性能可靠性分析

针对抑制风机性能失效的工程问题,基于可靠性分析理论,将拉丁超立方试验设计、近似模型与计算流体动力学分析技术相结合,研究了一种基于响应面的风机性能混合不确定性分析方法.该方法通过引入区间不确定性,有效地解决了由于缺乏实验样本而导致的知识不确定性建模问题,极大地扩展了可靠性分析技术在流体机械研究中的适用性.引入随机和区间不确定性参数对风机系统进行描述,基于传统的一阶可靠性分析方法,建立了风机性能的随机-区间混合可靠性分析模型.采用重整化群湍流模型计算了风机的流量、压力、轴功率、效率等性能参数,得到了性能函数.由于计算流体动力学的计算效率较低,研究了响应面求解混合可靠性模型的有效迭代算法,并计算了风机性能失效概率区间.应用该方法对某轨道交通列车风机性能进行研究,分析了风机全压的失效概率和可靠性指标与不确定参数的灵敏度问题,甄别了不确定性参数对系统可靠性的影响,并从可靠性角度提出了提高风机性能可靠性的工程措施.     

基于首次超越概率理论的混凝土坝时变风险率研究

随着我国大坝安全管理工作逐渐由传统的工程安全管理向工程风险管理方向发展,在役大坝风险水平成为了越来越重要的研究课题.混凝土坝实际运行过程中受到众多随机不确定因素和模糊因素影响,导致大坝自身风险率具有显著的时变特性,本文尝试引入二元高斯算法采用并联体系方法计算混凝土坝系统时变风险率,将时变风险率分析问题转化为静态并联体系失效概率计算问题,通过在广义随机空间内采用JC法计算固定时刻混凝土坝风险率,并基于首次超越概率理论转化为混凝土坝时变风险率.最后,在工程算例分析中以某混凝土重力坝沿坝基抗滑失效为例,通过引入合理的抗力和荷载效应随机过程变量模型,采用该算法对混凝土重力坝抗滑稳定时变风险率进行了分析,验证了该模型的有效性,具有一定的理论和工程应用价值.     

大型飞机复合材料机翼壁板气动弹性优化设计

以大型飞机复合材料机翼为对象进行气动弹性综合优化设计研究,以机翼蒙皮壁板及相关构件复合材料铺层厚度为设计变量,在满足多种气动弹性与强度/应变约束下对结构重量进行最小化设计,并分析了优化中三种强度/应变约束和蒙皮铺层比例的影响.研究表明：不同组合约束下优化后的复合材料机翼较金属机翼减重效果显著,综合考虑应变与失效准则约束能在兼顾减重效果的同时提高机翼整体刚度水平;铺层比例优化结果表明机翼内段与中段较高的0°铺层比例和外段较高的±45°铺层比例分布能使刚度分布更加高效合理.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系，建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程；使用迦辽金方法对方程离散处理，采用四阶龙格．库塔法求解微分方程；三阶活塞理论用于气动力分析；使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合，既分析气动热对结构刚度的影响，又分析气动弹性对气动热的影响；2）结构温度随飞行时间的积累效应；3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响；4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比，发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险，这一点在精确分析中应当予以重视．     

基于区间的风机系统翼型气动性能不确定性优化

针对样本数据少、信息缺乏的工程问题,研究了一种风机翼型气动性能区间的不确定性优化方法.通过建立区间模型非概率可靠性指标,在Kriging近似模型基础上,构建了稳健性优化模型.并采用了双重优化求解策略进行求解,以提高优化效率.为了提高叶型造型的拟合精度,采用五项多项式方法对翼型各截面进行参数化建模.通过和试验结果进行对比可知,该方法可满足风机气动性能优化精度要求.该方法为风机气动性能优化提供了新的途径,为轨道交通风机系统节能减排的市场实用化奠定了基础.     

基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法

建立了一种基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法，并基于此方法对弹性机翼进行了静气动弹性分析．基于机翼几何实体模型建立了三维气动力模型，利用高阶面元法计算气动力，通过模态法实现气动与结构的耦合，以AGARD445．6机翼和一个小展弦比机翼为研究对象，分析了机翼结构弹性变形对气动力的影响．本文重点研究了机翼的气动力系数、翼根载荷、结构变形、不同展向位置的压力分布等参数的变化趋势，并将部分结果与风洞试验、基于风洞试验气动力所得弹性结果进行了对比．结果表明：高阶面元法计算所得气动力具有较高的精确性；基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法具有可行性、可靠性和高效性，可以提供较为全面的静气动弹性数据为飞机初步设计参考．     

不确定性气动弹性系统辨识及鲁棒极限环分析

模型的不确定性直接影响鲁棒颤振和极限环分析的准确性．从基于数据的角度提出考虑非线性环节和模型不确定性的鲁棒极限环分析框架．采用时域方法辨识包含非线性环节的Block—oriented结构的气动弹性系统模型集合的不确定度大小．以在线弹性结构的极点构造正交基底，将不确定性模型集合辨识问题转化为不确定性参数上下界估计的优化问题，通过求解非线性优化得到不确定性模型集合．将辨识后的无记忆非线性算子用正弦输入描述函数表示，利用线性分式变换技术对辨识后的不确定性模型进行重新建模，最后采用结构奇异值（μ）理论对系统集合进行鲁棒极限环分析．采用某二元翼段气动弹性算例验证该辨识和分析框架的准确性．结果表明辨识的不确定性的模型集合能够刻画气动弹性动力学特性．在相同速度下，考虑不确定性的模型集合的鲁棒极限环幅值比标称系统极限环幅值要小．该方法可以应用于鲁棒颤振和极限环预测．     

考虑机动载荷不确定性的机翼气动弹性优化设计

提出了一种考虑飞行器机动载荷不确定性的气动弹性优化设计方法,并应用于一个小展弦比机翼的结构设计中.针对使用理论线性气动力和风洞试验气动力时存在的不确定性,发展了一种载荷修正模型,用于预测理论线性气动力和风洞试验气动力摄动时的严重载荷.定义了3类严重载荷目标函数,并在4种典型机动状态下,针对机翼三个剖面进行载荷评估,基于序列2次规划法,确定严重载荷状态;在此基础上,以质量最小为目标,以结构应力、变形和颤振速度为约束,采用遗传-敏度混合算法开展气动弹性结构优化设计.所得到的最优结构虽然比单独采用理论线性气动力或试验气动力得到的最优结构要重,但由于在设计之初考虑了气动力的不确定性,因而在实际飞行中遭遇严重载荷时将更具鲁棒性,可降低结构重新设计的风险.     

矩独立的基本变量重要性测度及其概率密度演化解法

为有效分析基本变量对可靠性分析中失效概率的影响程度,提出了一种矩独立的基本变量对系统失效概率的重要性测度指标η,分析了其相应性质,并给出了性质的证明.在此基础上,比较了基本变量对系统失效概率与基本变量对响应量分布密度的重要性测度,并建立了求解2种矩独立基本变量重要性测度的概率密度演化方法,有效地解决了求解2种矩独立基本变量重要性测度在计算上的困难.采用所建立的重要性测度概率密度演化方法,求解了数值算例和具体工程中基本变量对功能响应函数分布密度和失效概率的重要性测度指标,结果证明所提重要性测度可以从输入变量随机取值的分布密度角度衡量基本变量对失效概率影响的程度,同时,计算结果也表明采用所建立的求解重要性测度的密度演化方法是高效可行的.     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

大展弦比飞机几何非线性气动弹性稳定性的线性化方法

基于动力学小扰动假设建立了具有大展弦比机翼柔性飞机的全机几何非线性气动弹性稳定性分析的线性化方法和工程求解流程,并通过复杂算例验证了该方法的工程适用性.对某高空长航时无人机,计算了飞机在平飞设计载荷以及阵风载荷作用下的非线性静变形,在对应的非线性平衡态下对全机进行动力学线性化,计算了考虑静态大变形因素的全机固有振动特性,采用偶极子格网法计算了非定常气动力,进一步分析了全机的气动弹性稳定性,并与传统线性计算结果进行了对比研究.计算结果表明,由于结构大变形引起的几何非线性会引起机翼面内弯曲和扭转的运动耦合,改变相应模态的频率和振型,从而影响气动弹性耦合关系,降低颤振临界速度.传统的线性方法不但不能得到准确的颤振临界速度,而且有可能给出错误的稳定性结论.因此,对于具有大展弦比机翼的高空长航时无人机,以及类似的大柔性飞行器,必须在其设计过程中进行几何非线性气动弹性稳定性分析.     

大型飞机翼梁位置对气动弹性优化的影响研究

针对大型飞机弹性机翼初步设计阶段涉及的气动弹性问题，在建立大展弦比机翼三维有限元模型的基础上，研究前、后翼梁位置参数对气动弹性特性分析和优化结果的影响规律，为翼盒结构设计提供指导．研究表明，气动弹性优化对于结构设计获得可行解和更优解效果明显，前梁位置参数相对后梁对分析和优化结果的影响较大，且两种规律有所区别．此外，部分关键约束条件的愈加苛刻会导致结构质量显著增加，合理的约束限制对于优化结果有着重要意义．     

混凝土结构在施工期可靠度的模拟分析方法

结构在施工期可靠度的分析对于保证施工安全具有重要意义.由于在施工期间,结构是一个时变结构,结构抗力是一个随机过程,荷载也与使用期的不同,所以有必要研究施工期间结构的可靠度.本文结合混凝土结构在施工期的特点,建立了施工期结构可靠度的全随机模型,分析了考虑抗力随时间变化的模拟计算原理并进行了模拟计算.结果表明,本文的计算方法可以用来对精确解进行校核或验证近似解析解     

大变形飞机配平与飞行载荷分析方法

提出了一种可同时考虑结构几何非线性效应曲面气动力效应的大变形飞机静气动弹性配平和载荷分析方法.该方法利用三维曲面涡格法计算大变形飞机的曲面气动力,引入非线性结构有元计算方法考虑结构几何非线性效应,采用曲面样条插值方法解决气动/结构耦合问题,然后结合全机在变形构型下的刚体运动平衡方程进行柔性飞机大变形状态气动/结构耦合情况下的静气动弹性配平迭代求解.以某常规局大展弦比柔性飞机半展长缩比模型为例,应用该方法对其纵向静气动弹性配平特性及飞行荷进行详细的分析与研究,并与MSC Flightloads线性方法的计算结果进行了对比.分析结果表明结构变形较小时,本文非线性方法和线性方法的计算结果吻合较好.而当结构具有较大变形时,由于线性方法无法考虑气动力曲面效应和结构几何非线性效应故不再适用,而本文出的非线性方法可对大柔性飞机在大变形构型下的配平特性作出较为准确合理的预测,并可满足飞机设计各个阶段的工程应用需求,完成考虑结构几何非线性静气动弹性配平特性的多轮次快速分析.     

基于复杂网络理论的水网节点重要性评价研究

复杂水网节点的重要性排序在工程应用中有重要实践意义,对于水网调度、安全管理有重要借鉴意义.为此,本文在复杂网络理论基础上,以山西大水网节点重要性排序问题为背景,对水网节点重要性评价进行研究.首先从整体角度出发,不考虑水网方向和干支斗毛级别差异,基于水网全局网络拓扑结构,从局部属性、全局属性、传播属性和网络位置四个方面定义了节点重要性评价指标.其次,分别根据这四个指标,对水网节点重要性进行排序分析,结合分析结果对网络位置指标进行了改进.然后,由于单指标评价结果不够全面且适用范围具有很大的局限性,给出了基于TOPSIS的多属性决策方法来综合评价节点的重要性.最后,考虑水网方向和级别差异,提出对水网进行干支斗毛级别划分,基于Page Rank算法对同一级别的有向赋权水网节点重要性评价进行研究.     

基于证据理论的结构非概率可靠性拓扑优化设计

考虑数据信息较少以及认知水平有限情况下的不确定性对于结构拓扑优化具有重要意义.本文引入证据理论处理不精确的数据信息,采用证据理论的不确定测度克服精确概率约束模型建立的困难,并结合拓扑优化策略,形成了基于证据理论的可靠性拓扑优化设计模型.为了提高不确定测度的计算效率,提出了仿生智能优化算法和不精确极值思想相结合的改进优化算法来降低焦元数目和极限状态函数极值求解所导致的计算量.通过两个桁架算例对所提方法进行验证,结果表明,确定性优化结果可能是不确定情况下的失效解,虽然基于证据理论的最优设计在重量和拓扑形式上相对于确定性优化结果偏保守,但具备抵抗不确定波动的能力.     

具有相关失效模式的多自由度非线性结构随机振动系统的可靠性分析

在一般随机有限元法的基础上, 给出了在随机参数的联合概率密度函数未知的情况下, 具有相关失效模式的非线性动态随机结构系统可靠性分析的方法. 应用四阶矩技术、最大熵理论、边缘概率分布函数的概念和不完全概率信息理论, 解决了多自由度非线性随机结构振动系统的首次超限破坏问题.     

基于递归测度主成分分析的振动信号非平稳评价

在递归损失量和递归趋势两个非平稳测度的基础上,结合主成分分析方法,提出一套实用的振动信号非平稳评价方法.首先,在一定观测时间尺度的基础上,分别建立由递归损失量和递归趋势两个测度组成的样本向量;依据工作平稳性的定义,将两个向量组装成多变量的样本矩阵,对其进行主成分分析,取第一主成分作为振动信号非平稳性综合评价的对象,构造非平稳性的统计模式差异指标,并通过几种典型的数值模拟非平稳信号的评价结果验证指标的可靠性.最后,将此方法应用于桥梁结构环境振动信号分析,以得到更加客观的分析结果.     

结构系统可靠性分析的发生函数法

发生函数法是多状态系统性能评估的重要工具. 本文在结构系统强度可靠性分析中引入并发展发生函数法, 分别构造描述强度(抗力)、应力(载荷)、安全裕度、疲劳寿命等概率分布的发生函数, 定义各类发生函数之间的复合算子及相应的性能结构关系, 实现静定、静不定结构系统静强度可靠性和结构系统疲劳强度可靠性的建模. 在发生函数的复合运算中, 通过同类项合并、近似项合并技术缩减计算量以提高效率. 理论分析和数值算例表明: 发生函数形式统一、表达简洁、宜编程、通用性强, 适用于具有多层次结构的系统概率建模. 新方法充分考虑了结构元件之间因孪生载荷而引发的失效相关性, 可为存在多模式损伤耦合的土木工程结构、机械装备系统静、动强度可靠性分析提供理论参考及有效工具.     

面向晶体管级广义门电路的PTM可靠性计算

不精确的广义门电路可靠性映射到门级或高层应用时误差容易因规模效应等而被过度放大导致结果不可靠.本文选择了在门级电路可靠性精确评估中得到有效验证的PTM模型用以精确计算晶体管级广义门电路的结构可靠性;分析了晶体管级广义门电路结构的逻辑抽象并转换成了功能一致的门级电路结构的逻辑抽象形式;提取了电路各组成单元的故障点及主要故障模式,并构建了与之相对应的面向故障的概率转移矩阵;依据各组成单元间的串并联特点,在有考虑输入信号故障的情况下,通过门级PTM方法的运算法则计算得到了晶体管级广义门电路的结构可靠性.在典型的CMOS广义门电路上的实验结果验证了本文所提方法的有效性,还分析了广义门电路的可靠性与其各主要类型故障之间的关系,并获得了一些有意义的结果.