結構-熱耦合問題及結構疲勞的可靠性分析方法研究.pdf

1、 在實際工程結構的分析與設計中，尤其在航天、航空等領域，結構的熱問題逐步成為研究的熱點，比較突出的問題如結構在熱載荷作用下的熱變形及熱應力，在交變熱載荷作用下的熱疲勞。隨著工程精度要求得日益提高和研究問題的不斷深入，結構的熱耦合響應問題也漸漸被廣泛關注，如熱彈耦合問題和熱-結構耦合問題，它們分別對應不同的工程實際。同時考慮實際工程結構中存在著大量的誤差和不確定性，使得結構的物理參數(shù)、幾何參數(shù)以及載荷等均具有不確定性，從而導致結構的響應

2、也具有不確定性，使得結構在熱載荷下的可靠性分析也成為熱點問題，所以有必要考慮這些因素，分析結構在熱載荷下考慮熱耦合情況時的可靠性，這對于熱問題突出的工程結構的分析與設計是十分必要的，具有重要的理論意義及工程價值。本學位論文主要針對結構在熱載荷下考慮熱耦合因素時的隨機響應及可靠性等問題進行了系統(tǒng)研究，并對疲勞可靠性分析方法做了一定的研究，主要研究工作如下：
1. 隨機彈性桿在隨機瞬態(tài)溫度場下的熱響應分析
研究彈性桿

3、在其物理參數(shù)、溫度場同時具有隨機性時的熱響應。利用隱式差分法求解隨機瞬態(tài)溫度場，結合Monte-Carlo模擬法得到各時間節(jié)點處結構溫度場分布的數(shù)字特征。利用隨機因子的有限元法推導出在各時間節(jié)點處結構位移和單元應力響應的均值和方差計算表達式，其中加入了隨機機械載荷的影響。通過懸臂桿的算例，得到結構各節(jié)點位移響應及單元應力響應在瞬態(tài)變溫階段內均值和均方差的變化規(guī)律；并考察了在隨機力載荷和隨機熱載荷共同作用下，各隨機參數(shù)的分散性對響應分散性

4、的影響。
2. 隨機參數(shù)梁在考慮熱彈耦合下的動力響應分析
以隨機參數(shù)梁為研究對象，分析其在溫度載荷和力載荷共同作用并考慮熱彈耦合關系時的動力響應。建立了熱彈耦合動力學有限元模型，給出了在時間域內差分離散、相互交替迭代的耦合計算方法。利用隨機因子法推導了結構溫度場和動力響應的數(shù)字特征表達式，其中溫度場的求解利用θ時間積分法，動力響應則利用Newmark-β積分法。在求出結構各時間步溫度場和動力響應數(shù)字特征的基礎上，

5、應用耦合算法獲得了整個時間域內的結構響應數(shù)字特征。通過懸臂梁算例分析了熱彈耦合項對動力響應的影響，并考察了諸隨機參數(shù)分散性對結構動力響應分散性的影響。
3. 熱彈耦合下微諧振器的概率可靠性分析
建立了微諧振器的熱彈耦合有限元方程，導出了熱彈耦合的廣義特征方程，基于左、右特征向量和分塊Lanczos算法分析了熱彈耦合頻率隨機性，通過對溫度場簡化并從特征值問題出發(fā)，進一步分析了溫度場和熱應力的隨機性，分別建立了以斷裂

6、力學為基礎的強度可靠性和激振頻率影響下的頻率可靠性，并綜合考慮諧振器在這兩種失效模式下的可靠性問題。通過算例，與一維Zener解和Lifshitz解對比，驗證模型計算的正確性，并計算了頻率偏移、可靠度隨溫度的影響變化情況。
4. 空間結構在考慮熱-結構耦合關系下的動力響應隨機性分析
以空間薄壁圓管為研究對象，分析其在持續(xù)熱流作用下并同時考慮熱-結構耦合關系及參數(shù)具有隨機性時的動力響應問題。為了便于分析由截面溫差引

7、起的熱振動，將溫度場分解為平均溫度和擾動溫度兩部分，在此基礎上建立了熱-結構耦合動力學有限元模型，并采用時間域內溫度場和動力響應交替迭代進行的近似計算方法，其中溫度場的求解利用時間差分法和牛頓迭代法，動力響應則利用Newmark 積分法。從各響應的求解迭代格式出發(fā)，分別使用矩法和隨機因子法推導了溫度場及動力響應的數(shù)字特征表達式，并通過各時間步內對溫度場和動力響應的交替迭計算可求得整個時間域內的溫度和動力響應均值與方差。最后以哈勃太空望遠

8、鏡為算例考察了熱-結構耦合對其懸臂薄壁圓管梁的熱顫振影響以及參數(shù)的隨機性對響應分散性的影響，并利用Monte-Carlo法驗證了文中方法的可行性。
5. 薄壁圓管空間結構的熱疲勞可靠性分析
針對薄壁圓管的空間結構，分析其在交變熱載荷下的疲勞可靠性問題。為同時考慮由截面平均溫度和截面溫差造成的疲勞損傷，提出了綜合利用剩余強度和疲勞累積損傷模型的分析方法。首先根據(jù)疲勞累積損傷相等原理，將截面溫差造成的多級擾動應力載荷

9、作用頻次等效為平均溫度下的常幅應力載荷作用次數(shù)，從而將兩者產(chǎn)生的熱應力載荷統(tǒng)一為一常幅載荷，再利用剩余強度模型基于動態(tài)應力-強度干涉理論對疲勞可靠度進行分析，得到了結構在綜合考慮兩種熱疲勞狀態(tài)下的動態(tài)可靠度。本方法可避免直接利用疲勞累積損傷理論臨界損傷值難以確定的問題，且能體現(xiàn)金屬疲勞損傷的真實情況。最后以哈勃望遠鏡太陽能帆板的主梁為例，分析了其隨疲勞熱載荷循環(huán)作用下的動態(tài)可靠度，得出了一些有意義的結論。
6. 結構疲勞可靠

10、性分析的支持向量回歸方法
從結構疲勞斷裂力學角度出發(fā)建立了疲勞壽命的可靠性功能函數(shù)，考慮到該功能函數(shù)具有隱式、非線性，且較難直接利用經(jīng)典的可靠性分析方法的特點，基于支持向量回歸方法(SVR)出色的小樣本學習能力和良好的泛化性，將其應用于結構疲勞可靠性功能函數(shù)的重構。為增強SVR的推廣能力，采用遺傳算法對SVR的參數(shù)進行優(yōu)化，并利用優(yōu)化的參數(shù)訓練出最佳的回歸函數(shù)，再根據(jù)所得的回歸函數(shù)利用一次二階矩法完成了疲勞可靠性的預測。最后