飞机双角拉伸接头的刚度可靠性灵敏度分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:辽宁省自然科学基金计划重点资助项目()作者简介:许新()女硕士研究生:.通信作者:苏长青()男博士教授:.:./.飞机双角拉伸接头的刚度可靠性灵敏度分析许 新苏长青金嘉靖杜兴盛(.沈阳航空航天大学 安全工程学院 沈阳.沈阳航空航天大学 辽宁省飞机火爆防控及可靠性适航技术重点实验室 沈阳.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 沈阳)摘要:根据双角拉伸接头的结构特征在 经典界面中采用自底向上法对双角接头进行建模在施加水平拉力的作用下得出不同工况的随机参数对接头连接刚度的影响规律找到对双角接头可靠性影响最大的关键参数为底板厚度 从可靠性的角度出发根据双角拉伸接头的最大位移不能超过允许值的失效准则定义双角拉伸接头的极限状态方程 结合灵敏度技术和有限元分析方法采用拉丁超立方抽样法计算出 种工况下随机参数的可靠性灵敏度确定随机参数的统计特性对双角拉伸接头可靠性的影响程度 在设计、制造、使用该连接结构时要优先考虑起到积极影响的随机参数并控制起到消极影响的参数 为飞机连接结构的故障预防、结构设计和优化设计提供一定的参考依据关键词:双角拉伸接头连接结构有限元分析可靠性灵敏度拉丁超立方抽样法本文引用格式:许新苏长青金嘉靖等.飞机双角拉伸接头的刚度可靠性灵敏度分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言飞机的连接结构实现了不同构件间的连接和载荷的传递与分配在使用过程中连接接头处容易产生应力集中正确分析接头的整体受力特性及应力分布特征是减小应力集中的关键 双角接头是飞机支撑结构中常用的拉伸接头与单角拉伸接头的 形设计相比双角接头的 设计对中央壁板的要求更高常用来作为带耳片可拆卸接头的支撑 有限元分析方法在研究双角接头时是一个重要的手段其计算结果较为准确可以用来解决实际工程中复杂的问题文献基于有限元法研究了使复合材料多螺栓连接接头均匀承载的策略 文献采用有限元方法对多钉结构的金属连接件的载荷分配进行了研究 文献分析了机翼接头强度及工况并加以改进 文献采用.软件找出某机型货舱门下部连接接头的最大应力点并确定危险位置 文献采用有限元法对碳纤维复合材料层合板之间铆胶连接进行了静力拉伸试验 文献通过 有限元分析软件计算和试验来研究铆钉钉杆尺寸与铆接结构件间干涉量的关系文中利用 命令流进行编程建模以双角拉伸接头为研究对象考虑了倒角半径、端部厚度、中央壁板厚度、底板厚度等参数对双角接头刚度的影响规律 通过改变随机参数的尺寸采用有限元仿真分析获得了对连接结构刚度影响较大的参数根据刚度破坏理论建立极限状态方程应用拉丁超立方抽样法得到双角接头在 种可靠度情况下的可靠性灵敏度为结构优化及尺寸优化提供了方向 双角拉伸接头有限元分析在 经典界面中对双角拉伸接头进行自底向上的几何建模 双角接头的结构由 块梯形底板、中央倾斜壁板及双螺栓孔端部组成其结构如图 所示 该模型采用 实体单元 材料为铝 合 金 弹 性 模 量 为 泊松比为.该模型划分网格后共有 个实体单元 个节点在对接头进行刚度分析时需要在壁板紧固件孔处施加全约束在端部螺栓处分别施加 的水平拉力使得模拟结果更加符合实际情况其位移情况由位移云图 所示图 双角拉伸接头结构示意图.图 端部螺栓孔周施加 水平拉力的位移云图.通过计算得出最大位移点的坐标为(.)最大位移为.将上述工况中最大位移作为参考依据通过改变双角拉伸接头尺寸参数/的值根据 种参数对其刚度的影响找到对刚度影响最大的参数 分析的工况为以下 种并将结果记录在表 中工况 分别为:将紧固件孔半径增加 将紧固件孔半径减小 将倒角半径增加.将倒角半径减小.将端部厚度增加 将端部厚度减小 将中央壁板前后端厚度增加.或 将中央壁板前后端厚度减小.或 将底板厚度增加 将底板厚度减小 各工况位移如图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 工况 的位移云图.表 种工况的最大位移 工况最大位移/工况最大位移/工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.通过对以上工况进行分析得出:双角接头的最大位移量都随着 个参数的增加而减小对于双角接头的刚度影响最大的是底板厚度其次影响较大的为中央壁板厚度、端部厚度而紧固件孔半径和倒角半径对于双角接头的刚度影响最小 双角拉伸接头可靠度与灵敏度分析.双角拉伸接头可靠度计算双角拉伸接头的刚度破坏旨在外力作用下最大位移值超过允许值若最大位移值小于允许值则结构能够可靠工作反之结构失效 公式表示如下:()允许()根据刚度破坏理论定义双角接头的刚度可靠性极限状态方程如下:()允许()()()()()式()、式()中:允许为位移允许值()为有限元模型求解得出的最大位移()是随机变量为、的功能函数解出功能函数()的概率就是计算结构可靠度可靠度计算过程如下:结构的位移服从()()的正态分布许用位移服从 允许()的正态分布 同样服从的正态分布表示正态分布的概率密度为()()()失效概率计算过程为()()()将正态分布变量 转化为标准正态分布则失效概率可写为 ()()式()中:令 则失效概率表述为()()许 新等:飞机双角拉伸接头的刚度可靠性灵敏度分析其中 为可靠性指标则可靠度计算公式为 ()()().双角拉伸接头可靠性灵敏度计算双角接头的灵敏度为失效概率对 随机参数 的分布参数、的偏导数:()()将式()中的积分变换数学期望的表达式()采用蒙特卡罗法的改进方法拉丁超立方抽样法来计算其可靠性灵敏度 具体变换方法如下:()()()()()()()()()()()采用样本均值来代替总体均值以及标准差则均值、标准差灵敏度为()()()()()()()()式()中:()()为随机参数的联合概率密度函数为数学期望 为样本数 消除基本变量量纲对失效灵敏度的影响以均值灵敏度为例其无量纲的灵敏度表达式为()()()()()()其估计值为()()()()()()()对于正态变量有()()()式()中:为基本随机向量 ()中的第 个分量 引入的标准正态量 除去量纲影响的均值、标准差失效灵敏度分别为()()()式()中:为 个样本 ()的第 个分量的标准正态样本 数值算例通过有限元分析的位移云图可以看出端部螺栓孔周变形较大因此选择端部螺栓孔半径()、紧固件孔半径()及倒角半径()、双角接头的弹性模量()、施加力的大小、位移允许量 允许为分析的随机变量 随机变量分布类型如表 所示表 双角拉伸接头随机参数统计特性 参数符号分布类型均值标准差正态.正态.正态.正态.正态.允许正态.双角拉伸接头选用拉丁超立方法进行随机抽样为了使抽样结果达到较高精度要求本次取抽样次数为 次进行循环仿真 得出不同的双角接头最大位移下接头的可靠度详细结果如表 所示表 双角拉伸接头可靠度 最大位移/可靠度/.双角接头在不同可靠度条件下的各项随机参数可靠性灵敏度如图 图 所示图 .时各参数灵敏度.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 .时各参数灵敏度.图 .时各参数灵敏度.图 .时各参数灵敏度.图 .时各参数灵敏度.图 .时各参数灵敏度.通过以上分析可得:针对双角接头各随机参数的均值可靠性灵敏度而言可靠度为.、.、.、时双角接头参数 的均值可靠性灵敏度为正值可靠度为.、.时 的均值可靠性灵敏度为正值说明这些参数均值的增加降低了接头的可靠度影响是积极的随着参数均值的增加导致接头可靠度的降低因此在设计和制造中应当控制好该尺寸参数的均值同理可得随机参数、的均值可靠性灵敏度为负值说明这些参数均值的增加会大幅提高双角接头的可靠度 对双角接头的可靠度影响是消极的随着这些参数的均值增加双角接头的可靠性就会降低 可靠性灵敏度绝对值最大的随机参数为 说明此参数的均值对双角接头的可靠度影响要大于其他参数的均值对接头的影响在设计制造中要优先考虑 均值的积极影响针对双角接头各随机参数的标准差可靠性灵敏度而言当可靠度小于.时随机参数、的标准差可靠性灵敏度为正值说明这 个随机参数的标准差对双角拉伸接头失效概率产生积极影响当可靠度为.、.、.、.时参数、的标准差可靠性灵敏度均为负说明这些参数的标准差对双角拉伸接头的失效概率产生了消极影响 随着这几种参数均值的增加会有效降低系统的失效率进而提高系统可靠度 结论通过对飞机双角拉伸接头结构进行静力学分析改变接头的尺寸参数根据刚度破坏理论判定均未失效 采用蒙特卡罗法的改进方法 拉丁超立方抽样法进行随机抽样得到各个随机参数对系统的可靠性灵敏度灵敏度绝对值表示随机参数对系统可靠度影响的剧烈程度 灵敏度为正值表明随着这一随机参数的增加双角拉伸接头的可靠度也会增大灵敏度为负值表明随着这一随机参数的增加双角拉伸接头的可靠度会减小 绝对值越大表明随机参数对系统可靠度影响越大反之则越小从灵敏度结果中获得了对可靠性影响程度较大的敏感参数和对可靠性影响程度较小的不敏感参数:的均值灵许 新等:飞机双角拉伸接头的刚度可靠性灵敏度分析敏度及、的标准差的可靠性灵敏度为负且最大 的均值灵敏度及 标准差灵敏度为正且最大的灵敏度值均较小因此 为不敏感参数 在实际工程中将该不敏感参数作为确定性变量以减少变量维数提高计算效率参考文献:.():.():.范俊涛.复合材料多螺栓连接接头载荷分配及损伤失效研究.长沙:湖南大学.:.高扬孙秦.多排钉金属连接接头有限元分析方法研究.航空工程进展():.():.张新异.碳纤维复合材料螺栓连接强度研究与有限元分析.上海:上海工程技术大学.:.王增山虞伟建王开福.基于 的机翼接头强度分析及优化设计.机械设计与制造():.():.李玲李超戚佳睿.某型飞机机体机翼接头裂纹分析及维修.航空维修与工程():.():.杨海波.飞机连接接头的细节应力分析与优化设计研究.西安:西北工业大学.:.牛春匀.实用飞机结构应力分析及尺寸设计.北京:航空工业出版社:.:.吕震宙冯元生.结构刚度可靠性分析方法.机械强度():.():.杨舟.可靠性工程.北京:电子工业出版社.:.杨杰.结构可靠度计算方法及灵敏度分析.大连:大连理工大学.:.魏鹏飞.结构系统可靠性及灵敏度分析研究西安:西北工业大学.:.朱丽莎张义民马辉等.直齿轮耦合转子系统的振动可靠性研究.振动、测试与诊断():.():.().():.():.张义民.机械零件可靠性分析的参数灵敏度分析.机械强度():.():.科学编辑 王新刚 博士(东北大学 教授、博导)责任编辑 胡君德兵 器 装 备 工 程 学 报:/./