基于ansys的有限元可靠性分析(編輯修改稿)
2025-07-15 21:26 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)算機(jī)分析可以看出，Z％。％。3基于隨機(jī)有限元法的連桿可靠性分析 可靠度隨機(jī)有限元方法隨機(jī)有限元是隨機(jī)分析理論與確定性有限元方法相結(jié)合的產(chǎn)物。隨機(jī)有限元的研究?jī)?nèi)容是分析結(jié)構(gòu)在變異隨機(jī)量的影響下，各種反應(yīng)量(包括位移、內(nèi)力、應(yīng)力等)的空間變異特征，即研究已知的輸入變異性和待求的反應(yīng)量變異性的某種傳遞規(guī)律。在結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)由功能函數(shù)Z=g(x)來表達(dá)，其中隨即變X=(X1,X2, …,Xn)表征各參數(shù)的不確定性。當(dāng)g(x)0，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)；當(dāng)g(x)=O，表示結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；而當(dāng)g(x)O，則表示結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。設(shè)抗力R、作用效應(yīng)S均為正態(tài)分布變量，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為mR,mS,和σR,σS則變量Z也是正態(tài)隨機(jī)變量，且有mZ=mRmS,σZ=σR2+σS2。變量z的概率密度函數(shù)為： fZz=12πσzexp12zmzσz2,∞z+∞ （5）根據(jù)定義，結(jié)構(gòu)的失效概率為： Pf=PgX0=∞0fzzdz=∞012πσzexp12zmzσz2dz （6）通過失效概率就可得到結(jié)構(gòu)的可靠度。在工程實(shí)際的結(jié)構(gòu)可靠性計(jì)算中，R和S一般表示結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和應(yīng)力。對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)來說，得到確切的極限狀態(tài)方程g(X)表達(dá)式比較困難。Ansys采用蒙特卡羅法數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行可靠性分析。 連桿可靠性分析Ansys進(jìn)行可靠性分析可分為創(chuàng)建分析文件、進(jìn)行可靠性分析和可靠性結(jié)果輸出3個(gè)步驟。在每一步中又要完成一定的工作，具體過程(前2步按由上至下、從左到右順序)如圖4所示。圖4 Ansys可靠性分析過程本文根據(jù)SL4100柴油機(jī)連桿實(shí)際尺寸，忽略連桿大端外形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行簡(jiǎn)化，在PRO/E三維軟件中建立連桿三維實(shí)體模型，然后將模型導(dǎo)人Ansys中。在參數(shù)定義對(duì)話框中定義參數(shù)力F和彈性模量E；在單元庫(kù)中選擇8節(jié)點(diǎn)四面體SOLID45；。采用自由網(wǎng)格形式劃分有限元網(wǎng)格。得到連桿模型如圖5所示。圖5 連桿有限元模型為限制桿身的剛體位移，在連桿的大頭限制X，Y，Z方向的自由度，在小頭限制Y，Z方向的自由度。材料受壓的能力一般強(qiáng)于受拉的能力，故對(duì)連桿加載最大拉工況的力。由柴油機(jī)試驗(yàn)知，拉工況時(shí)，連桿受力按余弦方式，分布角為180176。分布在180176。的外側(cè)圓周上。采用APDL語言編制程序進(jìn)行加載。然后進(jìn)行有限元求解并提取分析數(shù)據(jù)，生成可靠性分析文件。指定剛才生成的可靠性文件，定義彈性模量E及載荷力F為輸入隨機(jī)變量，分布類型為正態(tài)分布；設(shè)置應(yīng)力為輸出變量?？煽啃苑治龇椒ú捎妹商乜_方法，抽樣方法選用拉丁超立方方法。執(zhí)行可靠性文件分析，完成可靠性分析。最后進(jìn)行分析結(jié)果輸出?？傻迷O(shè)計(jì)變量在置信度大于99％ 時(shí)隨應(yīng)力變化的可靠度變化規(guī)律曲線(如圖6所示)。由圖6的概率分布函數(shù)圖可知，上、下2條曲線給出了危險(xiǎn)部位的最大和最小可靠度，中間的曲線給出了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)危險(xiǎn)部位的累積可靠性分析結(jié)果，可以得到在一定應(yīng)力下連桿的可靠性大小或一定可靠性要求下，連桿能承受的應(yīng)力值，以此作為強(qiáng)度可靠性分析的參考數(shù)據(jù)。通過Ansys的散點(diǎn)圖顯示功能，對(duì)設(shè)定的輸入隨機(jī)因素由分布的散點(diǎn)來反映與輸出隨機(jī)變量的關(guān)系。由圖6可知，散點(diǎn)相對(duì)集中，彈性模量和載荷對(duì)應(yīng)力都有影響，由散點(diǎn)圖的密集程度可得載荷是影響可靠性的主要因素。從圖7可得，彈性模量的劇烈變化會(huì)引起應(yīng)力的變化，這樣就可能引起零件高周疲勞破壞，致使零件可靠性降低。而彈性模量只與材料化學(xué)成分有關(guān)，因此，應(yīng)采取必要措施改善柴油機(jī)燃燒室環(huán)境，減小連桿材料化學(xué)成分的較大變化，從而最大限度降低彈性模量的顯著變化，提高連桿可靠性。從圖8可得，載荷的變化也會(huì)引起應(yīng)力的變化，帶來零件疲勞破壞，降低可靠性。同時(shí)，二者存在正相關(guān)關(guān)系，載荷的突變會(huì)使應(yīng)力突變，可靠性降低。因此，柴油機(jī)應(yīng)盡量避免載荷劇烈波動(dòng)和過載。圖6 輸出變量概率分布函數(shù)圖7 彈性模量與最大應(yīng)力的關(guān)系圖8 載荷與最大應(yīng)力關(guān)系4基于區(qū)間有限元法的壓力容器可靠性
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