基于随机有限元法的机械零部件静动态可靠性分析

摘要

在传统的机械零部件可靠性分析时，通常直接根据该零件的应力具体显示表达式得到应力概率模型，同时结合强度概率模型建立可靠性干涉模型进行分析。但工程实际中的机械零部件通常无法给出具体显示表达式，导致了可靠性在实际工程中的广泛运用障碍。在可靠性数据统计方面，通过直接做可靠性数据统计试验成本高昂，而且由于零件结构的不同所造成应力分布差异性极大，使得试验结果往往不具有通用性。因此，机械零部件可靠性研究重点一直围绕着可靠性模型和可靠性数据两个方面展开进行的。本文在随机有限元理论的基础上，利用ANSYS概率分析模块展开可靠性研究。在静可靠性分析方面，以Monte Carlo随机有限元、响应面随机有限元和混合随机有限元进行机械零部件静可靠性分析，解决了无具体显示表达式的零件可靠性建模分析问题，同时对比三种随机有限元法得到各自特点和使用条件。在动态可靠性分析方面，以随机有限元静可靠性分析得到的应力数据为基础，利用Monte Carlo法进行动态可靠性模拟分析，解决了动态可靠性分析的数据缺乏问题。
　　本研究主要内容包括：⑴通过APDL建立工业机器人小臂可靠性分析文件，选择Monte Carlo随机有限元法对小臂进行结构静可靠性分析，得到小臂的静可靠度及参数灵敏度分析结果。表明Monte Carlo随机有限元法能够很好的解决零件无显示表达式静可靠性的分析问题，同时也是一种通用性较好的随机有限元静可靠性分析基础方法。⑵以机器人小臂为例，进一步采用响应面随机有限元法进行分析。通过对拟合的响应面进行大量Monte Carlo快速模拟后，得到小臂静可靠性分析结果。表明响应面随机有限元法以拟合的结构响应面替代小臂的有限元模型可快速进行分析，比Monte Carlo法具有更高分析效率。通过详细对比两种随机有限元法，最后给出Monte Carlo随机有限元和响应面随机有限元各自进行静可靠性分析的适用条件。⑶综合Monte Carlo和响应面两种随机有限元法特点，结合参数灵敏度分析得到混合随机有限元静可靠性分析方法。以参数和结构相对复杂的发动机连杆为例，详细的对比混合随机有限元、响应面随机有限元和Monte Carlo随机有限元三种静可靠性分析方法，结果表明混合随机有限元法在结构复杂且输入参数较多的零部件静可靠性分析时，比其它两种方法具有更高的计算效率。⑷在零部件动态可靠性分析时，以支撑板为例，利用Monte Carlo随机有限元静可靠性分析结果，提取后缀为.pdrs文件的应力数据得到应力的大量样本。进一步通过MATLAB分布拟合得到动态可靠性分析的应力概率分布特性，并以此建立动态可靠性干涉模型。最终编辑Monte Carlo动态可靠性模拟计算程序进行支撑板的动态可靠性分析，得到随载荷次数变化的动态可靠度曲线。结果表明基于随机有限元法解决动态可靠性数据缺乏问题的思路是可实现的，为机械零部件动态可靠性分析提供了新的参考方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 可靠性工程的发展及研究现状

1．2．2 随机有限元法发展及研究现状

1．2．3 可靠性分析软件发展及研究现状

1．3 本文研究的主要内容

1．3．1 本文基本研究框架

1．3．2 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 机械零件结构可靠性分析基本理论

2．1 引言

2．2 可靠性基本理论

2．2．1 静态可靠性模型

2．2．2 动态可靠性模型

2．3 可靠性分析数据基本统计处理方法

2．3．1 载荷的统计分析

2．3．2 结构几何参数的统计分析

2．3．3 材料相关参数的统计分析

2．4 可靠度常用计算方法

2．4．1 一次二阶矩法

2．4．2 Monte Carlo模拟法

2．4．3 响应面法

2．4．4 随机有限元法

2．5 本章小结

第三章 Monte Carlo随机有限元法的零部件静可靠性分析

3．1 引言

3．2 Monte Carlo随机有限元法的结构可靠性分析思想

3．2．1 有限元法

3．2．2 随机有限元法

3．2．3 拉丁超立方抽样

3．3 基于ANSYS随机有限元法可靠性分析概述

3．3．1 ANSYS PDS模块进行可靠性分析流程

3．3．2 ANSYS PDS模块可靠性分析关键命令

3．4 工业机器人小臂Monte Carlo随机有限元静可靠性分析实例

3．4．1 六关节工业机器人概述

3．4．2 JR608小臂确定性有限元分析

3．4．3 JR608小臂Monte Carlo随机有限元静可靠性分析

3．5 本章小结

第四章 响应面随机有限元法的零部件静可靠性分析

4．1 引言

4．2 响应面随机有限元法模拟思想

4．2．1 响应面法

4．2．2 响应面法的试验设计

4．2．3 基于ANSYS平台的响应面随机有限元法模拟

4．2．4 响应面随机有限元法特点

4．3 工业机器人小臂响应面随机有限元静可靠性分析实例

4．3．1 建立JR608小臂响应面随机有限元可靠性分析文件

4．3．2 拟合JR608小臂结构响应面

4．3．3 基于响应面法的JR608小臂静可靠性大量模拟

4．3．4 响应面随机有限元法与Monte Carlo随机有限元法比较

4．4 本章小结

第五章 混合随机有限元法的零部件静可靠性分析

5．1 引言

5．2 混合随机有限元法模拟思想

5．2．1 零部件结构可靠性参数灵敏度分析

5．2．2 零部件结构可靠性的混合随机有限元模拟

5．2．3 ANSYS平台可靠性分析的混合随机有限元法

5．3 发动机连杆混合随机有限元静可靠性分析实例

5．3．1 NC450发动机连杆确定性有限元分析

5．3．2 NC450发动机连杆混合随机有限元法静可靠性分析

5．3．3 三种随机有限元法连杆静可靠性分析对比

5．4 本章小结

第六章 随机有限元法在零部件动态可靠性分析中的应用

6．1 引言

6．2 零部件动态可靠性模型

6．2．1 零部件动态可靠性的等效载荷及概率分布

6．2．2 零部件动态可靠性模型

6．3 随机有限元法建立零部件动态可靠性模型

6．3．1 随机有限元法建立零部件应力概率模型思想

6．3．2 基于Monte Carlo模拟法对零部件动态可靠性模拟分析

6．3．3 随机有限元法对机械零部件动态可靠性分析的技术路线

6．4 随机有限元法的支撑板结构动态可靠性分析实例

6．4．1 支撑板静态随机有限元可靠性分析

6．4．2 最大应力样本数据拟合

6．4．3 支撑板动态可靠度计算

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果