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参数化仿真在机构可靠性分析中的应用

作　者: 贺安江
导　师: 王亲猛
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 参数化曲柄连杆机构可靠性数值模拟
分类号: TH112
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

可靠性是指产品在规定时间和规定条件下完成规定功能的能力，是产品质量特性的重要组成部分。由于可靠性指标未达到要求而导致产品提前失效的现象在航空、航天、机械、船舶等工程领域中普遍存在。曲柄连杆机构属于汽车内燃发动机的核心传动部件。在发动机运行过程中，机构中的活塞顶部受到不断变化的气体压力作用，推动活塞在气缸内进行反复运动，从而推动连杆带动曲柄绕曲柄轴中心进行旋转运动，对外传出动力。曲柄连杆机构在工作过程中受到多种载荷的作用，有轴力、弯矩、扭矩、惯性力等作用，形成了复杂的组合力作用。为保证机构在工作周期内不发生失效现象，进行可靠性分析和设计是需要关注的重点问题。机械类产品进行可靠性试验成本高、周期长，利用数值仿真方法可以很好的解决这个问题。本文通过对曲柄连杆机构进行可靠性数值模拟仿真，形成了一套完整的以参数化建模仿真为基础的可靠性分析流程。该流程针对以往可靠性确定性仿真分析，可以大幅度降低计算成本，同时该方法对于其它机构可靠性分析具有一定通用性。本文的研究内容如下：(1)建立参数化仿真流程。对曲柄连杆机构进行参数化几何建模和网格划分，考虑机构的柔性对仿真结果的影响，对曲柄和连杆部件进行柔性体的生成。对该刚柔耦合模型进行动力学仿真分析，得到曲柄连杆机构在真实工作状态下的受力情况。对曲柄连杆机构进行有限元分析，得到机构在工作循环中不同时刻的应力分布情况，得出机构易失效部位，进行强度可靠性评估。同时根据载荷-时间历程，对机构进行疲劳可靠性评估。整个分析过程运用程序语言和软件自带语言进行编写，利用过程集成软件将流程进行打包处理。采用批处理计算方法，在计算机后台进行程序运行，从而提高计算效率。(2)确定曲柄连杆机构中相关随机变量参数的分布情况，对变量进行解析和参数映射，同时确定机构响应。利用描述性采样方法进行变量抽样，最后采用蒙特卡洛方法进行曲柄连杆机构强度和疲劳可靠性分析，得到机构可靠度和相关随机变量的灵敏度分析，从而为机构进一步的可靠性设计提供依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景及研究意义  9-11
  1.2 可靠性技术的研究现状  11-12
  1.3 虚拟样机技术的研究现状  12-14
  1.4 本文的研究内容  14-17
第2章可靠性分析理论基础  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 可靠性分析数学基础  17-20
    2.2.1 概率统计基本概念  17-18
    2.2.2 可靠性问题中常用的概率密度函数  18-20
  2.3 可靠性分析方法  20-26
    2.3.1 一次二阶矩法  21-22
    2.3.2 点估计方法  22-23
    2.3.3 蒙特卡洛数字模拟法  23-26
  2.4 典型系统可靠性模型  26-28
    2.4.1 串联系统可靠性模型  26-27
    2.4.2 并联系统可靠性模型  27
    2.4.3 混联系统可靠性模型  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章基于干涉模型的机构强度可靠性分析  29-49
  3.1 引言  29
  3.2 强度可靠性分析理论  29-31
  3.3 应力分析计算  31-38
    3.3.1 几何模型建立  32
    3.3.2 网格划分与柔性体建立  32-34
    3.3.3 动力学仿真分析  34-36
    3.3.4 有限元仿真分析  36-38
  3.4 强度可靠性分析计算  38-47
    3.4.1 随机变量的分布  39-40
    3.4.2 随机变量的输入和映射关系  40-42
    3.4.3 响应的选择与变量的输出  42-43
    3.4.4 强度可靠性分析结果  43-45
    3.4.5 可靠性灵敏度分析结果  45-47
  3.5 本章小结  47-49
第4章基于累积损伤模型的机构疲劳可靠性分析  49-59
  4.1 引言  49
  4.2 疲劳可靠性分析理论  49-53
    4.2.1 疲劳计算公式  49-51
    4.2.2 雨流计数法  51-52
    4.2.3 Miner 疲劳累积损伤模型  52-53
  4.3 疲劳可靠性分析计算  53-58
    4.3.1 随机变量的分布  53-54
    4.3.2 响应的选择与变量的输出  54-55
    4.3.3 疲劳可靠性分析结果  55-57
    4.3.4 可靠性灵敏度分析结果  57-58
  4.4 本章小结  58-59
结论  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  65-67
致谢  67

参数化仿真在机构可靠性分析中的应用

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