飞机复合材料结构安全系数确定方法研究

安全系数的确定需要考虑载荷和强度的分散性、材料属性、制造工艺的缺陷和误差等,载荷和强度是两个主要方面,因为它们是最基本的设计数据。目前普遍采用的安全系数值为1.5,是个常数。介绍了安全系数的概念,阐述了安全系数评估流程,并采用基于失效概率的方法来评估飞机复合材料结构安全系数的取值,对影响安全系数取值的因素,包括外载荷、冲击能量、剩余强度等变量,进行了统计分析,介绍了损伤漏检概率计算方法,给出了失效概率计算流程及安全系数评估流程。     

风载和冲击载荷下系留塔强度可靠性灵敏度分析

以提高系留塔结构强度可靠性为目的,借助有限元软件分析了系留塔在风和冲击载荷同时作用下的应力分布,获得系留塔应力最大的位置,校核了塔架结构强度是否满足设计要求。在此基础上充分考虑了塔架结构的尺寸分散性,将可靠性分析方法和有限元参数化分析方法相结合,采用四阶矩法对塔架的可靠度和灵敏度进行分析。分析结果表明:系留塔的强度失效概率Pf=4.65×10-7;方管的壁厚是影响系留塔强度可靠性的主要因素。     

非金属结构材料的力学性能与失效分析

本文就非金属结构材料(如陶瓷等)的临界裂纹的尺寸和强度分布及热循环条件下力学性能变化、显微结构与损伤的关系进行了讨论。结果表明,这些因素直接影响材料的失效概率。因此,本文的分析对提高非金属结构材料的可靠性,提出了有益的参考。     

基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣是航空发动机安全的关键部件,但是其具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式：强度失效以及刚度失效建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging 代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明：涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。     

基于强度退化的齿轮可靠性计算模型研究及应用

为了研究强度退化对齿轮可靠性的影响,针对一般工作环境下具有多种失效模式的齿轮,通过引入条件概率,考虑零件失效相关性和材料性能退化因素,利用动态应力-强度干涉模型建立基于强度退化的齿轮可靠性的计算模型。以某型齿轮可靠度计算为例,其计算结果表明:在考虑材料强度退化时,齿轮的可靠度随工作时间的增加不断降低,验证了该计算模型的准确性。     

基于飞行器使用的高压薄壁气瓶的设计可靠性分析

本文对飞行器使用的承受内压的薄壁气瓶设计计算公式进行了分析,结合可靠性和概率设计理论,考虑压力、径比和材料性能等设计参数的不确定性,应用几个不同的强度设计理论,建立相应失效极限状态方程.之后对高压薄壁气瓶在相同设计输入下的可靠度进行了计算和对比分析,并对设计参数在不同强度设计理论下的敏感性进行了分析.     

基于缺陷概率特点的粉末冶金材料寿命预测概率模型

粉末冶金材料由于其制造工艺的特点,强度和寿命对微缺陷（夹杂、气孔、表面划伤）十分敏感,导致了粉末冶金材料的破坏具有较大的分散性,使得寿命预测更为困难。本文根据国内粉末材料中缺陷的分布特点,基于文献[79]中概率断裂分析的思路,对原有方法进行了修正和推广,重新给出了缺陷在表面、亚表面以及内部时的定义及缺陷在这些不同位置时出现概率断裂的确定方法,建立了一个可考虑缺陷形状、大小、位置等分布特征的粉末冶金材料寿命预测概率模型,并基于此计算了不同尺寸缺陷位于不同位置时材料的失效概率及总失效概率。分析表明:所给出的方法可以很好的表征国内工艺条件下粉末冶金材料缺陷的概率特征对强度寿命的影响,方法是有效的。      

分布参数为模糊变量的结构体系模糊可靠性分析方法及应用

 随机模型的分布参数是由随机试验结果进行统计推断而得出的,往往难以准确预知,将其描述为模糊变量是可行的。将模糊数学理论与可靠性分析相结合,对分布参数为模糊变量的结构体系模糊可靠性进行了分析,具体推导了两种失效模式间的模糊相关系数和二阶联合模糊失效概率的求解公式,求出了失效模式间不相关和相关两种情况下,结构体系模糊失效概率在各λ水平截集下的区间解,估算出了结构体系的模糊失效概率,并对加筋板结构的模糊可靠性进行了分析。通过算例表明该方法更符合工程实际,是有效可行的。     

基于ANSYS概率分析的导弹结构可靠度计算

针对导弹结构的材料性能、载荷环境、几何尺寸等参数不确定性的影响,基于ANSYS概率设计系统,提出了利用ANSYS概率分析功能对导弹进行结构可靠性分析的方法。通过建立某型导弹同体发动机推进剂药柱的极限状态方程,采用蒙特卡洛模拟随机载荷和固体推进剂药柱初始强度来获取推进剂药柱的可靠度。该方法能有效地计算贮存、飞行等环境条件下的导弹结构可靠性。     

涡轮盘低循环疲劳的概率设计

基于涡轮盘结构的低循环疲劳设计流程,将概率设计理念融入设计过程中,提出了涡轮盘低循环疲劳的概率设计流程。首先进行涡轮盘结构的优化分析,其中以确定性设计准则作为约束条件;以优化结构方案为基础,考虑参数的随机性,对涡轮盘低循环疲劳进行可靠性分析;以低循环疲劳寿命的可靠度为概率设计准则,对涡轮盘进行反复的设计和计算验证,通过修改结构尺寸完成涡轮盘低循环疲劳的概率设计。同时,根据灵敏度分析结果,讨论了设计变量的分散性对涡轮盘寿命的影响,为进一步提高结构的可靠性提供了新的研究思路。结果表明,按照概率设计观点确定的涡轮盘结构兼顾性能和可靠性,在满足可靠度的前提下降低涡轮盘的重量。同时该概率设计流程简单方便,易于工程的推广应用。     

复合材料层压板的安全系数与可靠度

1.引言 在飞机结构设计中考虑到载荷的特性、材料的特性、设计和制造中的不确定性等因素,通常用一个笼统的安全系数来概括。安全系数可有不同的定义,在飞机结构静强度设计中常用的安全系数f的定义是设计载荷(极限载荷)与使用载荷(限制载荷)之比。安全系数是一个设计系数,它提供了一种保证,使得飞机结构在使用载荷作用下不会产生永     

运输类飞机结构设计安全系数的探讨

中国民用航空规章运输类飞机适航标准25.303要求采用1.5的安全系数,该要求同其他相关适航条款,例如25.307"结构符合性的证明"、25.603"材料"、25.605"制造方法"、25.613"材料的强度性能和材料的设计值"等,共同保证了飞机结构的高可靠性。理论上,当材料、载荷、分析等方面的不确定性降低,采用低于1.5的安全系数可以保证结构具有同等的高可靠性;另一方面,当材料、载荷、分析等方面的不确定性大于目前适航规章所允许的水平,通过采用大于1.5的安全系数也可以保证结构具有等同的高可靠性。为了在民用运输类飞机的适航取证/审定过程中,在保证结构可靠性的前提下,能够根据具体情况适当调整结构安全系数,在综合研究中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》相关条款内在联系的基础上,探讨了载荷、材料性能、分析方法等不确定性对飞机结构安全系数的贡献。研究结果表明,目前1.5的飞机结构安全系数,用于考虑载荷、材料性能、分析方法等不确定性的系数分量分别为1.2、1.12、1.116.     

综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法

在飞机结构的设计定型阶段,要综合考虑载荷谱和结构特性的分散评估机群的可靠寿命。为此,进行了某型飞机结构细节的TA15M钛合金模拟试件在3个单机谱下的耐久性试验,断口判读得到主裂纹扩展(a,t)数据,反推得到了当量初始缺陷尺寸(EIFS)。对比分析表明,载荷谱分散对EIFS分布参数无影响,估计得到了通用EIFS分布参数。建立了考虑载荷谱分散的裂纹扩展对数正态随机变量模型及参数估计方法,由此确定裂纹超越概率并进行损伤度评估,建立了综合考虑载荷谱和结构特性分散的概率断裂力学方法(PFMA)。     

Weibull分布参数估计值对细节疲劳额定强度的影响

将新材料、新工艺应用于民机结构设计时,细节疲劳额定强度（DFR）法仍是重要的评估方法。根据新型铝合金疲劳试验数据,全面分析了Weibull分布形状参数对DFR计算参数的影响;分析标准S-N曲线斜度参数对DFR的影响时,应考虑可靠性寿命的变化,采用低可靠度寿命计算曲线斜度参数可降低Weibull分布形状参数的影响;比较了采用不同分布参数估计值与传统上采用波音公司给定值进行DFR计算的差异。结果表明,对于通过符合性检验的试验数据,使用不同Weibull分布的参数估计值计算得到的DFR都大于按传统方法（用波音公司给定值）的计算结果,其中,三参数Weibull分布计算的DFR最大,至少增加10%以上。     

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故，针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上，结合工程实践，假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先，开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次，采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布，考虑到间隙配合中的不确定性，改变模型中的最大间隙多次模拟计算，发现最大应力位置基本不变，以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后，采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念，发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时，均处于安全状态，并且安全裕度都在2倍以上；通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大，系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险，且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效；考虑到测试数据的弥散性，针对系统最危险的模式，以安全裕度为可靠性指标，将失效评估图方法与可靠性评价相结合，得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

Uncertainty evaluation for bearing fatigue property of CFRP double-lap,single-bolt joints

The considerable uncertainty in mechanical properties of composite bolted joints not only prevents advanced composite materials from efficient applications, but also threatens the safety and reliability of the aircraft structures. In this paper, the uncertainty in bearing fatigue properties of a CFRP double-lap, single-bolt joint was evaluated by combing a Progressive Fatigue Damage Model(PFDM) with the interval analysis method. In the PFDM, a residualstrain-based gradual material degradation mo...     

二项分布参数整体推断方法

针对工程中常见的二态数据,提出了二项分布参数整体推断方法,该方法可以很好地确定二项分布参数与状态变量之间的数学关系式,给出了整体推断的点估计和置信限、置信区间估计公式。它能够将不同状态下的二态数据作为一个整体来进行统计推断,全面开发利用了不同状态下二态数据之间相互提供的横向信息,从而使其可利用的信息量远远大于只能分别在各自状态下对二态数据进行统计分析的传统方法。所以,在精度相同的情况下,可以节省大量试样;而在试样数一定的条件下,又能提高预测精度。最后给出了应用实例。     

某型装备轴承件无失效时的可靠性参数估计

针对寿命服从威布尔分布的某型装备轴承件在无失效数据时的可靠性参数估计问题,首先,以失效概率为待估参数,取其先验分布为Beta分布,在2个超参数的先验密度函数为2种不同情形下,建立了失效概率的2种EBayes估计模型,分析了稳健性、渐近性和单调性;然后,对威布尔分布参数进行了加权最小二乘估计,进而建立了可靠度的2种E-Bayes估计模型,分析了稳健性和单调性;最后,结合实例数据进行了可靠性参数估计与分析,指出第2种估计模型更加合理有效。     

新型喷管电控系统可靠性设计

为提高新型喷管控制系统可靠性及故障安全性,对该系统的故障进行检测,并对故障采取相应的对策以保证系统在故障状态下能够安全工作。对该系统的可靠性设计技术进行了初步探讨,对其硬件及软件进行介绍,并对该系统可能发生的故障及其失效原因、拟采取的措施及对安全的影响进行了初步分析,对故障事件的发生概率、故障对飞行安全的严酷度等也进行了安全评估。分析结果表明:新型喷管控制系统可靠性满足要求。     

Reliability and Sensitivity Analysis of Transonic Flutter Using Improved Line Sampling Technique

The improved line sampling (LS) technique, an effective numerical simulation method, is employed to analyze the probabilistic characteristics and reliability sensitivity of flutter with random structural parameter in transonic flow. The improved LS technique is a novel methodology for reliability and sensitivity analysis of high dimensionality and low probability problem with implicit limit state function, and it does not require any approximating surrogate of the implicit limit state equation. The improved LS is used to estimate the flutter reliability and the sensitivity of a two-dimensional wing, in which some structural properties, such as frequency, parameters of gravity center and mass ratio, are considered as random variables. Computational fluid dynamics (CFD) based unsteady aerodynamic reduced order model (ROM) method is used to construct the aerodynamic state equations. Coupling structural state equations with aerodynamic state equations, the safety margin of flutter is founded by using the critical velocity of flutter. The results show that the improved LS technique can effectively decrease the computational cost in the random uncertainty analysis of flutter. The reliability sensitivity, defined by the partial derivative of the failure probability with respect to the distribution parameter of random variable, can help to identify the important parameters and guide the structural optimization design.