飛機結(jié)構(gòu)靜強度計算

飛機強度計算方法飛機結(jié)構(gòu)靜強度計算3.1飛機結(jié)構(gòu)靜強度與結(jié)構(gòu)可靠性計算機翼和機身的強度估算結(jié)構(gòu)可靠性返回

結(jié)構(gòu)靜強度計算方法有多種，但結(jié)構(gòu)靜強度計算仍是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在下列三個階段。

飛機總體設(shè)計中的結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)形式的確定對結(jié)構(gòu)連接部位、開口區(qū)、復(fù)合材料鋪層等細節(jié)進行設(shè)計計算結(jié)構(gòu)靜強度校核階段結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計1、機翼和機身的強度估算

一般采用有限元方法，但在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計和結(jié)構(gòu)強度分析時，常采用薄壁結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。具體的公式和簡化方法可參見設(shè)計手冊，不一一講解。2、結(jié)構(gòu)有限元分析

MSC/NASTRAN3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計4、結(jié)構(gòu)可靠性4.1結(jié)構(gòu)可靠性概念

可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。結(jié)構(gòu)可靠性定義的要素是三個“規(guī)定”(“規(guī)定條件”、“規(guī)定時間”、“規(guī)定功能”）結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，喪失規(guī)定功能的概率稱為不可靠度或失效概率。作為飛機結(jié)構(gòu)的可靠性問題，從定義上可以理解為：“結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用載荷/環(huán)境工作下及規(guī)定的時間內(nèi)，為防止各種失效或有礙正常工作功能的損傷，應(yīng)保持其必要的強剛度、抗疲勞斷裂以及耐久性能力?！笨煽慷葎t應(yīng)是這用能力的概率度量。例如：結(jié)構(gòu)靜強度可靠性是指結(jié)構(gòu)元件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強度大于工作應(yīng)力的概率；結(jié)構(gòu)安全壽命可靠性是指結(jié)構(gòu)的裂紋形成壽命小于使用壽命的概率；結(jié)構(gòu)損傷容限可靠性則一方面指結(jié)構(gòu)剩余強度大于工作應(yīng)力的概率，另一方面指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用期內(nèi)，裂紋擴展小于裂紋容限的概率。其它可靠度度量方法：

結(jié)構(gòu)的失效概率F(t)，指結(jié)構(gòu)在t時刻之前破壞的概率；

失效率λ(t)，指在t時刻以前未發(fā)生破壞的條件下，在t時刻的條件破壞概率密度；

平均無故障時間MTTF(MeanTimeToFailure)，指從開始使用到發(fā)生故障的工作時間的期望值。4.1結(jié)構(gòu)可靠性概念4.2結(jié)構(gòu)安全余量方程進行結(jié)構(gòu)元件可靠性分析時，需要建立起元件設(shè)計變量與元件能力表征量間的分析關(guān)系，這類似于確定性分析設(shè)計中的工程破壞判據(jù)，但可靠性分析是建立在隨機變量的分析基礎(chǔ)之上。這個概率型的聯(lián)系設(shè)計變量與結(jié)構(gòu)元件固有性能表征量間的破壞判據(jù)，通常稱為元件的安全余量方程（功能函數(shù)）。討論結(jié)構(gòu)元件的靜強度可靠性時，可初步認為只有兩個隨機變量，即元件的強度R和元件的內(nèi)力S。元件的強度由于材料的強度特性、元件尺寸等不確定因素呈隨機性；而元件所承受的內(nèi)力，由于作用載荷的隨機性以及元件尺寸在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所處的位置等不確定因素顯然是隨機變量。如果元件能夠承受載荷，則安全余量方程為4.2結(jié)構(gòu)安全余量方程可靠度定義為元件能可靠承載的概率，可以表示為則元件的失效概率可以表示為4.3應(yīng)力強度干涉模型R，SfOfSfRμSμR干涉區(qū)可靠度一般表達式4.3應(yīng)力強度干涉模型應(yīng)當(dāng)指出應(yīng)力強度干涉模型揭示了概率設(shè)計的本質(zhì)。從干涉模型可以看到，就統(tǒng)計數(shù)據(jù)觀點而言，任何一個設(shè)計通常存在著失效概率，即可靠度小于1，而我們設(shè)計能夠做到的僅僅是將失效概率限制在一個可以接受的限度之內(nèi)，該觀點在常規(guī)設(shè)計的安全系數(shù)法中是不明確的?？煽啃栽O(shè)計的這一重要特征客觀地反映了產(chǎn)品設(shè)計和運行的真實情況，同時還定量地給出了產(chǎn)品在使用中的失效概率或可靠度，因而收到重視與發(fā)展。4.4可靠性指標當(dāng)應(yīng)力和強度均為正態(tài)分布時，有可靠性指標由此可以看出，在分析線性安全余量方程且變量間服從正態(tài)分布的可靠性概率時，可靠性指標與失效概率一樣，可表征可靠性程度。對于非線性安全余量、變量不服從正態(tài)分布的情況，可將非線性安全余量在設(shè)計驗算點處作近似線性展開，并將非正態(tài)分布變量轉(zhuǎn)換成正態(tài)分布變量。因此，可靠性指標β在可靠性分析中具有重要的實際意義。4.4可靠性指標β00.51.01.52.02.53.04.05.0Pf0.50.30850.15870.06680.02280.00620.00143.27×10-53×10-7Pr0.50.69150.84130.97720.97720.99380.99860.99996730.99999974.4可靠性指標例如某構(gòu)件強度和所受應(yīng)力均服從正態(tài)分布，具體數(shù)據(jù)如下：則以上討論的為線性安全余量，且變量服從正態(tài)分布。4.5可靠性指標（均值一次二階矩法）以上討論的為線性安全余量，當(dāng)安全余量為非線性時，將安全余量方程在各變量均值點處進行泰勒展開，僅取展開項中的線性項（一次項），忽略高次項，則有這樣，安全余量成為線性函數(shù)，當(dāng)各變量相互獨立時，其均值和方差如下則可靠性指標為4.5可靠性指標（均值一次二階矩法）算例：某受拉鋁桿，已知材料強度均值為μR=360N/mm2，標準差為σR=20N/mm2；桿的直徑d的均值μd=10mm，標準差為σd=0.04mm；所受拉力P的均值μP=20000N，標準差σP=600N。求該拉桿的可靠性指標。解：安全余量為則4.5可靠性指標（均值一次二階矩法）在上例中若安全余量取為采用同樣方法求得的可靠性指標為從計算結(jié)果可以看出，取不同的安全余量，用均值一次二階矩方法求得結(jié)果是不同的，因此需要改進。最常用的方法為改進的一次二階矩方法（驗算點法、JC法）。但由于一次二階矩方法有計算方便簡單的特點，應(yīng)用較廣泛，對于初步估算較好。4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）a）隨機變量為正態(tài)分布情況

Hasofer和Lind建議根據(jù)臨界破壞面而不是安全余量方程定義失效模式的可靠度指標

。對于同一物理問題，根據(jù)H-L算法計算得到的可靠度指標

，不會由于選擇不同形式的等價安全余量方程而發(fā)生變化。H-L方法的計算程序為將隨機變量

進行正則化處理相應(yīng)的可靠度指標定義為4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）按泰勒級數(shù)展開并取一次項有上式兩端同除以得4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）b）隨機變量為非正態(tài)分布情況4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）取極限狀態(tài)方程為4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）M=pi*d.^2.*s/4-p;p=100*10^3;us=290*10^6;ds=25*10^6;ud=3*10^(-2);dd=3*10^(-3);fori=1:10%;dM_d=pi*d*s/2;%偏導(dǎo)數(shù)dM_s=pi*d^2/4;K=sqrt((dM_d*dd)^2+(dM_s*ds)^2);a_d=dM_d*dd/K;%敏度a_s=dM_s*ds/K;g=pi*d^2*s/4-p;uM=g+dM_d*(ud-d)+dM_s*(us-s);%在設(shè)計點處的均值dM=a_d*dM_d*dd+a_s*dM_s*ds;%在設(shè)計點處的標準差bat(i)=uM/dM;%可靠性指標d1(i)=ud-bat(i)*a_d*dd;s1(i)=us-bat(i)*a_s*ds;g1(i)=pi*d1(i)^2*s1(i)/4-p;d=d1(i);%下一個迭代點s=s1(i);end4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.6可靠性指標（驗算點法、JC法、算例）4.7可靠度與安全系數(shù)傳統(tǒng)意義上的靜強度設(shè)計安全系數(shù)法從概率觀點上可以理解為概率變量（強度與應(yīng)力）的均值化設(shè)計。那么，它所獲得的可靠性效益何如呢？設(shè)一拉桿的設(shè)計安全系數(shù)為n＝1.5，設(shè)計為滿應(yīng)力設(shè)計，且假定強度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布，其變異系數(shù)VR＝σR/μR=0.1,VS＝σS/μS=0.15,求拉桿的強度可靠度Pr?4.7可靠度與安全系數(shù)若安全系數(shù)n＝1，則β＝0，Pr＝0.5；