综合考虑静强度、疲劳和稳定的结构系统可靠性分析

摘要

对于一个承受多种载荷作用的结构系统来说，它的失效存在着多种模式，主要有静强度失效、疲劳失效以及受压细长杆件或细长结构的失稳失效等。每一种失效模式都对系统的安全存在着巨大的影响。然而，在目前的结构可靠性分析中，失稳失效可靠性的研究较少，这样可能带来严重的后果，特别是结构系统的整体失稳隐蔽性很强，一将发生，就会造成巨大破坏。而且，目前结构系统在静载荷和疲劳载荷作用下失效的可靠性大多是分别予以考虑的，但是对于结构系统来说，非常有可能出现几种失效模式的混合情况。例如：因较小的疲劳载荷引起一定的疲劳损伤并造成极限承载能力的下降，又因极限载荷而引起结构的完全破坏。由于疲劳载荷的作用，在结构可靠性分析中，还要考虑元件不同失效形式对后面元件累积损伤的影响。再加之失效模式之间存在相关性，这就使得结构的失效机理比较复杂，给结构系统可靠性分析带来了较大难度。针对上述问题，本文开展以下研究，主要如下： 1)为了精确的计算非线性安全余量的可靠性指标，文中提出了一种在验算点和中心点法基础上的新方法一联合法，简便了计算且提高了计算精度。 2)以裂纹扩展为基础，具体分析了在静载和疲劳载荷作用下的结构系统失效机理，给出了在这两种载荷作用下结构系统综合考虑静强度和疲劳的可靠性分析方法。 3)给出了细长运动杆件及结构系统稳定可靠性的分析方法。首先针对细长运动杆件的稳定性问题，建立了力学模型。基于小挠度下杆所承受载荷的微分方程，确定了细长运动杆的失稳临界载荷。在此基础上进行了结构的可靠性分析，计算了结构的可靠性指标和失效概率，并分析了初偏心影响下杆件的临界载荷及可靠性指标。其次，推导了结构系统的稳定性特征方程，计算了结构系统整体失稳的临界载荷，从而建立了结构系统整体失稳的安全余量，分析了结构系统稳定可靠性。 4)给出了同时考虑静载、疲劳和失稳失效模式下，结构系统可靠性分析方法。对于一个承受静载和疲劳载荷作用的结构系统，由于疲劳损伤的影响，元件的抗力、弹性模量等力学特性将会随时间的增长而衰减，结构整体稳定 性也会随着元件的失效、弹性模量的衰减等因素而下降。因此，文中结合累积损伤理论，给出元件不同失效形式的失效时刻，并考虑到失效路径中残余结构整体失稳，采用系统可靠性理论，完成了结构系统的可靠性分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题的目的和意义

1.2课题国内外的研究现状

1.2.1结构可靠性的综述

1.2.2结构系统的疲劳及稳定的可靠性研究现状

1.3结构系统多失效模式可靠性发展综述

1.4本文主要研究内容

第2章结构可靠性分析的基本理论

2.1结构的功能函数

2.2结构失效概率和可靠性指标β

2.3结构可靠性指标β的计算方法

2.3.1中心点法

2.3.2 H-L 法

2.3.3验算点法

2.4非线性安全余量可靠性指标的改进计算方法-联合法

2.4.1验算点及展开点

2.4.2可靠性指标的算法

2.4.3算例

2.5本章小结

第3章结构系统的静强度和疲劳可靠性分析

3.1结构系统的静强度可靠性分析

3.1.1平面杆元结构的静力有限元方程

3.1.2静强度安全余量

3.1.3安全余量对随机变量的导数

3.1.4静强度可靠性指标及失效概率

3.2结构疲劳可靠性分析

3.2.1 S-N曲线法与线性疲劳累积损伤模型

3.2.2断裂力学模型

3.2.3结构的疲劳可靠性分析

3.3结构系统疲劳失效主要失效模式的确定

3.3.1分支

3.3.2限界

3.3.3分支限界法的基本步骤

3.4结构系统失效概率的计算

3.5考虑静强度和疲劳的结构系统可靠性分析

3.5.1裂纹扩展下的构件剩余抗力及其数字特征

3.5.2结构系统静强度和疲劳的可靠性分析

3.5.3算例

3.6本章小结

第4章结构系统稳定可靠性分析

4.1结构稳定性的基本概念

4.1.1结构失稳的定义

4.1.2稳定问题的分类

4.2判别平衡状态稳定性的准则

4.2.1静力准则

4.2.2能量准则

4.2.3动力准则

4.3轴压杆件的临界载荷及稳定可靠性分析

4.3.1理想轴心受压直杆失稳临界载荷计算

4.3.2初偏心对轴心受压直杆失稳临界载荷的影响

4.3.3轴压杆件稳定可靠性分析

4.4细长运动杆件的失稳临界载荷及可靠性分析

4.4.1理想细长运动杆件的失稳临界载荷及可靠性分析

4.4.2初偏心对细长运动杆件的失稳临界载荷及可靠性的影响

4.5结构系统的稳定可靠性分析

4.5.1结构元件的刚度方程

4.5.2结构系统的稳定性特征方程

4.5.3结构系统的稳定可靠性分析

4.5.4算例

4.6本章小结

第5章综合考虑静强度、疲劳和稳定的结构系统可靠性分析

5.1结构元件的疲劳累积损伤

5.2结构性能的衰减分析

5.2.1结构抗力的衰减分析

5.2.2弹性模量的衰减分析

5.3结构系统失效过程中考虑残余结构失稳失效的必要性

5.4结构失效的元件安全余量方程及失效概率

5.5结构系统可靠性分析

5.6算例

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢