66400字硕士毕业论文有限元在现代机械中的可靠性分析及应用

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：66400字

论点：可靠性,设计,结构

论文概述：

本课题的主要内容，是在理解可靠性相关原理的基础上，研究可靠性分析方法，探讨将可靠性理论中的随机分析理论和确定性有限元法相结合，并将得到的分析结果用于可靠性分析，探讨基于有

论文正文：

有限元在现代机械中的可靠性分析及应用

它直接影响到起重机部件的配置、成本、轨道基础、安装调试，因此金属结构是起重机设计的重点和焦点，甚至是起重机现代设计方法研究的核心内容。由本网站的硕士论文中心组织。

第一章引言
课题的研究背景和意义
可靠性是指产品在特定条件下和特定时间内执行特定功能的能力。它是产品的动态质量指标，贯穿于产品开发、设计、制造、测试、使用和维护的整个生命周期，尤其是对工艺设备而言，其可靠性直接关系到生产安全。
随着社会的不断进步和生产力的不断发展，人类繁重的体力劳动逐渐被机械所取代。例如，在现代大规模生产过程中，起重机械已经广泛渗透到各个领域，取代了手工劳动，在某些领域已经完全取代了人类繁重的手工劳动，成为社会发展过程中的新动力。因此，研究如何提高起重运输机械的物料搬运能力，保证作业过程中的安全，已成为科研领域的重要内容。
起重机的金属结构是起重机的框架。它的重量约占起重机总重量的80%，是核心承重构件。金属结构的技术参数和性能指标对整机的使用性能起着决定性的作用。此外，对其强度、刚度、稳定性等安全技术指标要求较高。此外，金属结构直接影响起重机部件的配置、成本、轨道基础、安装和调试。因此，金属结构是起重机设计的重点和关键，甚至是现代起重机设计方法研究的核心内容。随着科学技术的发展，可靠性设计、优化设计、有限元方法和计算机辅助设计技术等现代设计理论和方法逐渐在国内外起重机设计中得到广泛应用，并显示出广阔的应用前景，成为现代机械设计的发展趋势，在机械设计领域发挥着不可替代的作用。这些先进的设计方法不仅可以提高产品的设计质量，降低生产成本的设计成本，缩短产品的设计周期，提高企业设计的适应性，还可以提高国内乃至世界行业的竞争力。
随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程技术已经广泛应用于机械领域。三维动态仿真设计、有限元方法和优化设计等现代设计方法在起重机金属结构设计领域逐渐得到应用和发展。可靠性设计方法已逐渐被人们接受，并开始主导工程师的设计理念。由于传统的起重机设计方法采用安全系数法，根据设计者以往的设计经验确定安全系数，然后用有限元法计算结构危险截面的最大应力，当最大应力除以材料许用应力得到的比值系数小于或等于安全系数时，认为设计结构合理。由于安全系数的确定是基于设计者的设计经验，因此这种设计方法非常主观。虽然这种经验安全系数设计方法是可行的，但不能具体表达结构可靠性的相关指标，如可靠性、失效概率或灵敏度，也不能为用户提供安全使用标准。缺乏理论解释。对于已设计的产品，采用有限元软件对其安全指标进行分析。特别是对于系统复杂的结构，建立有限元模型是困难的。如果同类型结构的尺寸稍有变化，则有必要重新建模，或者同样尺寸和不同截面的结构也需要重新建模，这不利于提高结构设计的效率，也不适合现代设计的快速响应要求。
根据在各领域使用的起重机的统计数据，这些起重机在使用过程中受到不同程度的损坏，主要是由于结构裂缝或裂纹。如果不及时修复，将存在一定的安全隐患，导致结构无法达到规定的使用寿命或提供合理的设计使用寿命。这表明以安全系数设计方法为代表的传统设计方法不适用于环境条件和结构特征的确定性假设。从概率的角度对相关设计参数进行统计分析，研究其分布规律和特点，从而制定出一套符合实际情况的新的结构设计规范。因此，可靠性理论和方法在起重机金属结构设计中的应用是结构设计发展的必然趋势。
本课题的主要内容是在了解可靠性相关原理的基础上研究可靠性分析方法，探讨可靠性理论中随机分析理论和确定性有限元方法的结合，将所得分析结果应用于可靠性分析，探讨基于蒙特卡罗有限元的结构可靠性分析方法和过程，计算结构的可靠性指标和失效概率， 分析在结构响应变量中起主要作用的随机输入变量，以提高产品的设计质量。 有限元法用于可靠性分析和设计。首先，建立并求解构件的ANSYS参数模型，定义随机输入参数及其概率模型，通过有限元概率分析模块的计算分析，得到结构可靠性设计的相关参数，为机械结构提供设计依据和评价指标。

2.现代可靠性设计的主要研究内容
随着社会的发展和科学技术的进步，新的理论方法在可靠性设计中得到了应用。在传统概率可靠性设计的基础上，出现了模糊可靠性设计和灰色可靠性设计等新的可靠性设计方法。
随着社会的发展和科学技术的进步，各种新的理论方法被应用于可靠性设计。在传统概率可靠性设计的基础上，出现了模糊可靠性设计和灰色可靠性设计等新的可靠性设计方法。
在机械设计领域，与可靠性相关的测试规范应运而生。各种可修复系统的可靠性研究已得到深入研究和充分发展。可靠性系统分析、故障树分析和拓扑结构分析理论以及系统可靠性评估技术和系统分析方法也日趋成熟，已广泛应用于工程设计、规划、管理和实施。同时，开发了系统可靠性仿真软件和快速计算系统可靠性算法。这充分表明，通过人们的不断努力和相关技术的发展，可靠性理论的发展取得了历史性的突破。尽管如此，我们也应该正视可靠性设计在实际工程应用中仍然存在一些有待解决的问题。
使用可靠性分析理论解决实际问题时，一般需要假设一个合理的数学模型，该模型有以下两种:
(1)离散状态假设。系统可分为完全正常或完全故障两种状态。
(2)概率假设。系统在正常工作状态下的可靠性行为可以完全用概率来描述。同时，应用可靠性理论来分析和处理实际问题也必须满足相关法规的充分条件。例如，定义的事件必须清晰、具有大量样本、具有可重复性并且不受人为因素的影响。
然而，由于实际工程问题中的许多情况，上述两个概率假设不能同时成立，并且基于概率假设的几个先决条件不能同时满足。这促使人们考虑提出概率可靠性模型，如灰色可靠性和模糊可靠性的概念。
实践表明，概率可靠性假设不能在实际工程系统中建立。有时系统的可靠性表现出所谓的模糊性，即系统的可靠性从“正常”变为“故障”，相反的两极通过一系列中间状态相互联系、渗透和转化。在这种情况下，离散有限状态假设是无效的，应该用模糊假设代替。此外，还有环境的模糊性、科研人员能力的局限性和工作时间的模糊性。根据工作经验，只能对工作时间进行主观评估或近似估计。主要内容如下:
(1)在模糊系统中，输入输出状态是不确定的。
(2)复杂系统的每个功能都由系统的某些部分完成。一个或几个组件的丢失并不意味着整个系统功能的完全丢失，即系统具有独立的功能效果。
(3)定义系统故障时，可以同时考虑功能故障和操作故障。
(4)本质上，系统的工作环境也表现出不确定性，这是由概念的模糊性、人们对事物理解的局限性以及其他客观原因造成的。
随着社会的进步和发展，日常生活和工作中遇到越来越多的模糊问题。有时用传统的可靠性理论和方法来表达它们是不可能的。因此，必须建立新的可靠性分析概念和方法，必须采用模糊数学来克服这些困难。这种利用模糊数学作为工具来解决不确定可靠性问题的理论被称为模糊可靠性理论。用这一理论来评价设计产品的可靠性，在工程中称为模糊可靠性设计。
基于概率论和数理统计的可靠性分析与设计是用统计手段研究系统特性的一种新的设计方法。从某种意义上说，利用已知信息(即白色信息)的统计规律推断未知系统是灰色系统是一种理论。它要求样本大小中的随机样本是已知信息。然而，在现实中，随机样本通常不能全部表示为所有白色信息，而是表示为上下明确边界更符合现实的未知数字。灰色理论是1982年创立的一门新的交叉学科。它在工程设计评价、参数优化、材料性能和产品质量分析、测试数据处理和在线监测等多目标灰色问题检测以及数据优化方面具有广阔的应用前景。
概率统计需要大量的数据，这不仅需要大量的计算工作，还需要线性典型分布。如果数据量很小，很难找到统计规则，甚至可能出现异常情况。然而，灰色系统本身需要少量的数据，这可以避免上述缺点和不足。灰色可靠性设计是基于概率论的可靠性设计的进一步扩展。灰色可靠性设计包括传统可靠性。建立的模型不仅可用于分析设计参数变化对可靠性的敏感性，还可用于进行稳健可靠性设计和有效控制设计参数。
经过十多年的不断发展，可靠性设计作为设计领域先进设计方法和经典概率论的标志，日益成熟，充分体现了其在工程实践中的巨大应用优势和生命力，并将在未来甚至很长一段历史中继续存在和发展。然而，随着科学技术在各个领域的快速发展以及工程项目中各种新的复杂系统的建立和实施，它们与工程实际应用之间的矛盾越来越多。在这种情况下，模糊可靠性和灰色可靠性理论应运而生。其理论和实践研究工作将极大地促进可靠性工程的发展，产生巨大的经济和社会效益。

1.3结构可靠性理论的发展历史和现状[/BR/]可靠性分析方法始于20世纪30年代。最初的目的是解释空间飞行领域中传统质量分析方法无法解释的故障问题。第二次世界大战期间，德国用可靠性分析方法分析和研究火箭发射过程，美国也用可靠性分析理论和方法分析和研究B-29。可靠性始于20世纪40年代。定位和导航系统等复杂的电子设备相继问世。电子系统设备的可靠性严重影响了这些设备的效率。因此，1943年，美国成立了一个专门研究电子管元件可靠性的组织——电子管研究委员会的研究组织。20世纪50年代，可靠性逐渐上升，逐渐得到学术界和工程界的重视，并在军事领域得到进一步发展。一个典型的例子是，美国开始将可靠性分析理论应用于电子设备和导弹系统，以美国军事领域为核心的学术界对此学科进行了有目的、有计划的研究。1952年，美国国防部成立了一个电子设备可靠性咨询小组。1957年发表了《军用电子设备可靠性》研究调查报告，探讨了可靠性设计研究和管理的过程和方法。它成为可靠性发展史上具有重要意义的文献，标志着可靠性已经成熟，可以作为一门研究学科，为广大研究者提供新的研究领域。
对机械结构可靠性的研究也始于20世纪40年代。1947年，弗罗伊登塔尔教授发表了一篇关于结构安全性和可靠性的论文。本文提出了结构可靠性设计中的“应力-强度干涉模型”，使一些可靠性理论研究者看到了可靠性研究的曙光，极大地激励了广大研究者，为可靠性的进一步研究奠定了坚实的基础。
弗罗伊登塔开发的全概率分析方法有一定的理论基础，理论上可行，但在实际应用中难以实现。在正常情况下，可以通过估计获得参数的第一和第二矩的精确计算结果。因此，基于随机变量均值和方差的二阶矩方法得到了研究者的认可和支持。计算可靠性的第一种方法可以定义为结构安全裕度的均值和标准差之比，从而基于均值和方差形成“第二力矩模型”。直到康奈尔提出可靠性系数的定义，这一模型才得到重视。对于非线性结构函数，康奈尔的研究理论表明，它根据泰勒展开公式在均值点展开，然后根据展开公式的第一项近似计算非线性结构函数的第一和第二矩。研究结果表明，康奈尔大学提供的方法不能保证不同形式的等价函数，即安全裕度方程的计算结果相同。为此，Hasofe和Lind 1974年的研究结果建议用失效面来重新定义结构失效模式下的可靠性指标，而不是安全裕度方程。当标准法线空内原点与曲面之间的距离达到最小值时，可靠性指标定义为设计检查点(随机变量的平均值为2，标准偏差为1)，检查点为从原点到曲线垂直线的垂直英尺。通过反复迭代计算，寻找目标设计点，计算可靠性指标。对于同样的问题，Hasofe和Lind算法获得的可靠性指标将始终相同，并且不会因为选择不同形式的安全裕度方程而改变。用可靠性分析理论和方法计算出的结构可靠性可以用高-低算法很好地解释。缺点是所有变量都要求具有相同的分布规律，并且必须是正态分布规律。然而，实际的结构设计不能满足这种苛刻的条件。因此，应该通过找到合适的换算公式来解决这一矛盾。1978年，Rackwitz和Fiessler在研究负荷组合时提出了一个新的科学命题，即根据等效归一化条件，将由正态随机变量形成的安全裕度方程推广到由非正态变量形成的安全裕度方程，即在设计点将非正态随机变量转化为正态随机变量，两者通过迭代计算在可靠性指标计算中近似等效。由于其良好的通用性，R-F算法被国际结构安全协会命名为JC算法。虽然JC算法的精度需要进一步提高，但JC算法的出现表明，当故障模式已知时，可靠性分析计算中的可靠性指标计算问题最终有了解决方案。然后是改进的方法，如陈氏三参数正态尾曲线逼近法。理论上，更严格的改进是Hasofebichler和Rackwitz提出的集成实现方案理论。通过线性变换，非正态随机向量被等价地变换成一组服从正态分布规律的线性独立随机变量。然后，对由变换后的随机向量构成的方程，根据命名规则命名为R-H-L，用H-L算法计算可靠性指标。在结构系统可靠性分析领域，康奈尔、昂和阿明提出了可靠性的一阶窄上下限理论，该理论通过众多失效模式按照关系的大小进行分类。Ditlevsen通过考虑两种失效模式之间关系的影响，提出了二阶狭义可靠性的上下限理论。1985年，我国的一些研究人员也为可靠性在其他实际应用领域的研究工作做出了一定的贡献，[·[3。
20世纪50年代以来，我国各研究机构和大学开展了极限状态设计方法的研究，学者有苏永华、吴清溪等。并在1983年编制了可靠性分析和设计的“统一标准”。这是可靠性发展的里程碑，也是我国可靠性分析和研究方法发展的重要标志。
由于影响结构可靠性的因素很多，而且对一些因素的研究还很肤浅，很难使用标准定量结构随机输入变量的统一概率模型和可靠性计算。目前常用的可靠性计算方法主要有:随机有限元法、蒙特卡罗模拟法、响应面法、一阶二阶矩法等。
可靠性的计算基于概率论和数学系统。由于用数学中的直接积分法很难计算结构的失效概率或可靠性，所以工程中经常使用近似法。由于用数学方法直接计算结构的相关可靠性指标相当麻烦，因此定义了一个新的可靠性指标——可靠性。一般来说，结构可靠性分为点可靠性和系统可靠性两种类型，其中点可靠性又称为部件可靠性。基于概率论和数理统计的结构元件可靠性理论的研究始于20世纪20年代。早期的研究思想虽然比较新颖和有创造性，但会使科技发展水平受到限制，试纸条也在一定程度上受到限制。基于可靠性的结构分析方法直到20世纪50年代才得到足够的重视，并开始引起学术界和工程界的广泛关注，逐渐发展壮大。目前，构件可靠性的计算方法已达到完善，并已进入实际工程应用阶段。随着有限元法、计算机应用技术和随机网络分析理论的快速发展，基于一阶二阶矩法的现代结构可靠性理论和应用技术已经开始从单元级向系统级实质性过渡。结构系统可靠性理论是20世纪80年代左右开始发展的一门新学科。主要的数学基础是概率论、随机过程理论、决策理论、博弈论和现代数理统计。主要手段有有限元法、边界元法和随机网格分析技术。
虽然国内外都在一定程度上对可靠性进行了理论研究，并取得了一定的研究成果，但在进行具体设计时，无法获得一些定量数据，或者获得这些数据的渠道有限甚至不可能。此外，由于机器使用环境的复杂性，机器承受的载荷也各不相同，故障原因也各不相同。在没有固定标准和合理设计规范的情况下，可靠性分析和设计存在一定的困难。这是目前可靠性在具体应用过程中存在的问题。人们需要不断探索和寻找解决方案。可靠性已经成为现代设计方法中的一种先进设计方法，在设计方法中占有绝对优势，可靠性将在未来的发展过程中受到更多的关注。作为一门对国民经济有影响的研究学科，它必将受到人们的重视，并将在未来得到研究和发展。

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摘要4-5
摘要5[/BR/]第一章导言8-19
1.1研究背景和意义8-9
1.2现代可靠性设计的主要研究内容9-11
1.3结构可靠性理论的发展历史和现状11-14
1.4结构可靠性设计的基本内容14-16 [/BR/] 1.5随机有限元方法16-19
第一章 2.1.3结构可靠性指数22-24
2.1.4灵敏度24-25
2.2机械结构可靠性设计25-31
2.3机械结构可靠性计算31-35 [/BR/] 2.3.1一阶二阶矩法31-32 [/BR/] 2.3.2蒙特卡罗法32-34 [/BR/] 2.3.3响应面法34-35
3.3随机有限元求解过程41-43
基于确定性有限元方法3.4确定性有限元方法可靠性的计算43
3.5随机有限元方法的基本方程43-49
3.5.1泰勒展开随机有限元方法(TSFEM) 44-46
3.5.2扰动随机有限元方法(PSFEM) 46-47[/br/ ] 3.5.3纽曼展开蒙特卡罗随机有限元方法 第4章起重机金属结构可靠性分析50-61
4.1起重机金属结构技术状态指数50-53
4.1.1允许静态刚度50-52
4.1.2结构强度和材料允许应力52-53
4.2起重机金属结构可靠性53-57
4.2.1不确定性分析53-57 [/BR/] 4.3基于有限元的概率设计基本过程57-66 4.3.4可靠性分析结果的后处理60
4.4本章总结60-61
龙门起重机主梁可靠性分析实例61-77[/Br/]5.1100吨龙门起重机主要重量参数61[/ Br/] 5.2基本设计数据61
5.3基本载荷和载荷输入的实现形式61-62
5.4模型简化研究62-63
5.6蒙特卡罗有限元计算65-66
5.7龙门起重机主梁66-75
5.8结论75-76
5.9本章摘要76-77
第6章全文总结77-79
6.1主要研究工作77
6.2未决问题77-78
6.3缺陷78-79
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