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        考慮漸變破壞的導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命廣義可靠性分析①

        2013-08-31 06:05:02何新黨姚會(huì)舉
        固體火箭技術(shù) 2013年5期
        關(guān)鍵詞:廣義壽命導(dǎo)彈

        張 峰,何新黨,南 華,姚會(huì)舉

        (西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院,飛行器可靠性工程研究所,西安 710129)

        0 引言

        吊掛是導(dǎo)彈與飛機(jī)的連接部件,主要承受導(dǎo)彈的重力作用,與導(dǎo)彈固連在一起。發(fā)射時(shí),導(dǎo)彈與吊掛作為整體離開(kāi)滑軌,因此吊掛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命對(duì)導(dǎo)彈的順利發(fā)射和飛機(jī)的安全有著重要的影響,開(kāi)展吊掛結(jié)構(gòu)壽命可靠性分析,能有力地保證導(dǎo)彈完成任務(wù)的成功率[1]。影響吊掛結(jié)構(gòu)壽命可靠性的因素主要有2個(gè)方面:(1)導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)制造、裝配的誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸具有隨機(jī)不確定性,這些因素的不確定性最終傳遞給結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,導(dǎo)致疲勞壽命也是隨機(jī)變量[2];(2)結(jié)構(gòu)疲勞壽命失效的不確定性。在傳統(tǒng)的概率可靠性分析中,采用“一刀切”的方式來(lái)劃定結(jié)構(gòu)是否失效[3];而在實(shí)際情況中,吊掛結(jié)構(gòu)的壽命失效是個(gè)漸變過(guò)程,“一刀切”的分析方式忽略了壽命失效的漸變特性[4-6]。因此,需考慮失效模式的模糊性對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響,才能較合理地評(píng)估吊掛結(jié)構(gòu)的安全程度。失效模式的模糊性采用隸屬函數(shù)來(lái)描述,在較少信息下,可依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)給出失效模式隸屬函數(shù)的描述形式。

        綜合上述因素,本文在導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí),同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)尺寸的隨機(jī)性和疲勞壽命失效模式的模糊性,建立疲勞壽命分析的廣義可靠性模型,來(lái)更合理地評(píng)估導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)的安全程度[5]。

        在吊掛結(jié)構(gòu)廣義可靠性分析模型中,由于吊掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以直接建立其疲勞壽命與尺寸隨機(jī)變量的顯式表達(dá)關(guān)系式,需要通過(guò)有限元分析才能得到結(jié)構(gòu)疲勞壽命的響應(yīng)。對(duì)于這種通過(guò)隱式限狀態(tài)方程進(jìn)行描述的結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的一次可靠性方法和二次可靠性方法估算誤差較大,直接使用Monte Carlo等數(shù)字模擬方法需要多次調(diào)用有限元而導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大,限制了數(shù)字模擬方法的直接使用。在此情況下,響應(yīng)面法被推薦使用,其采用響應(yīng)面函數(shù)來(lái)構(gòu)造隱式極限狀態(tài)方程的近似顯式表達(dá)式[7-9]。研究表明,如果響應(yīng)面函數(shù)能很好地近似實(shí)際的隱式極限狀態(tài)方程,它可得到精度相當(dāng)高的失效概率估計(jì)值[9]。綜上所述,本文在導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和疲勞壽命分析的基礎(chǔ)上,采用二次響應(yīng)面法,建立結(jié)構(gòu)疲勞壽命的函數(shù)關(guān)系式,并結(jié)合重要抽樣法,來(lái)求解吊掛結(jié)構(gòu)的廣義可靠性。

        1 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

        某型導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)的二維裝配模型如圖1所示,幾何模型見(jiàn)圖 2[2]。

        圖1 吊掛與滑軌結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.1 Assembly drawing of missile suspension and rail

        圖2 吊掛結(jié)構(gòu)幾何模型圖Fig.2 Diagram of missile suspension geometry model

        圖2中,參數(shù) l1、l2、l3、l4分別為導(dǎo)彈吊掛的寬度、吊掛結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌接觸處的厚度、導(dǎo)彈吊掛的倒角尺寸和加載力臂長(zhǎng)度。吊掛結(jié)構(gòu)為鋁合金材料,參數(shù)如表1所示。

        表1 導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 Material property of suspension structure

        在吊掛結(jié)構(gòu)的三維幾何模型的基礎(chǔ)上,采用Hex六面體單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,可得到如圖3所示的有限元模型。在有限元模型中,通過(guò)多點(diǎn)約束MPC建立吊掛結(jié)構(gòu)與導(dǎo)彈之間的固連關(guān)系,將導(dǎo)彈施加給吊掛結(jié)構(gòu)的集中載荷均勻地分配到吊掛與導(dǎo)彈的接觸表面。

        圖3 吊掛結(jié)構(gòu)的有限元分析模型Fig.3 FEM of missile suspension structure

        通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn),吊掛結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在耳片倒角處,最大應(yīng)力σmax=302 MPa,吊掛結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度為σs=460 MPa,滿足安全系數(shù)為1.5的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

        采用名義應(yīng)力法,對(duì)導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命分析,考慮應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)和吊掛表面質(zhì)量及加載方式等因素對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的影響,并通過(guò)材料的S-N曲線建立吊掛結(jié)構(gòu)的S-N曲線。吊掛結(jié)構(gòu)S-N曲線的應(yīng)力Sa可表示為

        式中 σa為材料的S-N曲線的應(yīng)力;Kf為疲勞缺口系數(shù);ε為尺寸系數(shù);β為表面質(zhì)量系數(shù);CL為加載方式。

        由于外載荷的平均應(yīng)力,還須采用Goodman公式對(duì)平均應(yīng)力進(jìn)行修正,修正公式如式(2)所示:

        采用名義應(yīng)力方法并結(jié)合有限元分析,得到吊掛結(jié)構(gòu)的壽命云圖,如圖4所示。

        從圖4可看出,耳片倒角處是吊掛疲勞壽命的薄弱部位,最低的使用壽命為367 000次,結(jié)構(gòu)滿足壽命要求。

        2 基于二次響應(yīng)面的吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

        由于制造裝配等原因,吊掛寬度l1、吊掛結(jié)構(gòu)與導(dǎo)軌接觸處厚度l2、導(dǎo)彈吊掛倒角尺寸l3和加載力臂長(zhǎng)度l4等參數(shù)具有隨機(jī)不確定性,是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量。結(jié)構(gòu)尺寸的不確定性最終傳遞給吊掛結(jié)構(gòu)的壽命,導(dǎo)致吊掛結(jié)構(gòu)的壽命 S(l1,l2,l3,l4)也是隨機(jī)變量。假設(shè)吊掛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命是S*,根據(jù)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型,建立吊掛結(jié)構(gòu)基于疲勞壽命失效的功能函數(shù),如式(3)所示:

        圖4 吊掛結(jié)構(gòu)的疲勞壽命云圖Fig.4 Diagram of life distribution on missile suspension structure

        結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程g=0,將變量空間劃分為兩個(gè)區(qū)域。當(dāng) g=S(l1,l2,l3,l4)-S*>0,結(jié)構(gòu)安全;當(dāng) g=S(l1,l2,l3,l4)-S*<0,結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞壽命的失效。

        在式(3)中,響應(yīng)量 g 是(l1,l2,l3,l4)的隱函數(shù),是有限元模型在輸入?yún)?shù)為(l1,l2,l3,l4)進(jìn)行疲勞壽命分析的結(jié)果。在吊掛結(jié)構(gòu)可靠性分析中,采用響應(yīng)面法模擬響應(yīng)量g與吊掛結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式,即選取不含交叉項(xiàng)的二次響應(yīng)面(l)來(lái)擬合功能函數(shù)g(l)的形式如式(4)所示。

        式中 a0、(b1,b2,b3,b4)、(c1,c2,c3,c4)為 9 個(gè)待定系數(shù)。

        求解二次響應(yīng)面的系數(shù)是構(gòu)造可靠性模型功能函數(shù)的關(guān)鍵,其計(jì)算流程如下:

        (1)采用Bucher設(shè)計(jì)方法選取實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。在第k次迭代中,以為取樣中心,選取9個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。獲得的試驗(yàn)點(diǎn)為4)。第1次迭代的實(shí)驗(yàn)中心l*(1)選為均值點(diǎn)處,即l*(1)=μl={μ1,μ2,…,μ4}。其中,μi(i=1,2,3,4)為基本隨機(jī)變量li的均值,σi為基本隨機(jī)變量li的標(biāo)準(zhǔn)差,fi為插值系數(shù),取為1~3之間的常數(shù),上標(biāo)(k)表示響應(yīng)面法的第k次迭代。

        (2)通過(guò)最小二乘法求解得到第k次迭代時(shí)的二次響應(yīng)面的系數(shù),記為,得到極限狀態(tài)方程,再通過(guò)改進(jìn)一次二階矩法,求解近似極限狀態(tài)方程g—(k)(l)的可靠性指標(biāo)β(k)和設(shè)計(jì)點(diǎn)

        (3)利用樣本點(diǎn)(μl,g(μl))及進(jìn)行線性插值求解g(l*(k+1))=0的解l*(k+1)),l*(k+1))即為下一次迭代的抽樣中心,l*(k+1))的求解如下:

        (4)反復(fù)執(zhí)行(1)~(3)步,直到2次求得的可靠度指標(biāo)滿足精度要求結(jié)束迭代過(guò)程,最終獲得滿足精度要求的近似功能函數(shù)

        3 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命廣義可靠性分析

        3.1 疲勞壽命廣義可靠性分析模型

        影響吊掛結(jié)構(gòu)壽命可靠性的因素包括2個(gè)方面,第2章僅考慮了尺寸的隨機(jī)不確定性,還需要考慮結(jié)構(gòu)壽命失效模式的影響,通過(guò)引入隸屬函數(shù)u來(lái)刻畫(huà)失效模式的模糊性。對(duì)于通過(guò)二次響應(yīng)面擬合得到的近似功能函數(shù),設(shè)其隸屬函數(shù)為,則吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命廣義可靠性的失效概率Pf可寫(xiě)為

        式中 fl(l)為尺寸參數(shù)的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

        其中,b1、b2為隸屬函數(shù)參數(shù),可通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出。

        (1)半線性型隸屬函數(shù)

        (2)半正態(tài)型隸屬函數(shù)

        (3)半柯西型隸屬函數(shù)

        圖5 模糊失效域的隸屬函數(shù)示意圖Fig.5 Diagram of fuzzy failure membership function

        3.2 基于Monte Carlo法的廣義可靠性分析

        采用蒙特卡洛法來(lái)計(jì)算式(6)所示的廣義失效概率是通過(guò)聯(lián)合概率密度函數(shù)fl(l)來(lái)抽取樣本,并利用樣本來(lái)估算廣義失效概率的估計(jì)值,估算公式如式(10)所示:

        式中 lj為以聯(lián)合概率密度函數(shù)fl(l)抽取的第j個(gè)樣本;N為抽取樣本數(shù)。

        3.3 基于重要抽樣法的廣義可靠性分析

        針對(duì)直接蒙特卡洛法計(jì)算工作量巨大的這一問(wèn)題,研究人員提出了許多縮減方差、加快收斂速度的改進(jìn)方法[10-13]。在這些改進(jìn)方法中,以重要抽樣法研究最為廣泛[10]。在式(6)中引入重要抽樣函數(shù)hl(l),則廣義失效概率Pf的計(jì)算公式改寫(xiě)為

        其中,重要抽樣函數(shù)hl(l)滿足

        設(shè)lj(j=1,2,…,N)為來(lái)源于重要抽樣函數(shù)hl(l)的樣本,則失效概率Pf的無(wú)偏估計(jì)值、估計(jì)值的樣本方差和變異系數(shù)可分別表示為式(14)~式(16)。

        3.4 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命廣義可靠性分析與討論

        對(duì)導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命廣義可靠性分析,選取導(dǎo)彈疲勞壽命失效的如式(9)所示的半正態(tài)型隸屬函數(shù)。參數(shù)m1=0,m2=45,分別采用Monte Carlo法和重要抽樣法,求解吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命廣義可靠性,失效概率的估算結(jié)果如表2所示。

        表2 2種計(jì)算方法結(jié)果比較Table 2 The compare of two method analysis results

        從表2可看出,以Monte Carlo法取樣106個(gè)樣本的計(jì)算結(jié)果為精確值,重要抽樣法抽取104量級(jí)的樣本數(shù)就可估算得到失效概率,估計(jì)值的相對(duì)誤差小于1%,滿足精度要求,計(jì)算量不到 Monte Carlo法的1/30。這說(shuō)明重要抽樣法適用于吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命的廣義可靠性分析。

        再采用重要抽樣法分析吊掛結(jié)構(gòu)疲勞壽命失效“一刀切”和“漸變”2種方式下的可靠性??紤]失效形式的模糊性,仍選擇半正態(tài)型的隸屬函數(shù)來(lái)刻畫(huà)失效模式的不確定性,參數(shù)m1=0,參數(shù)m2取8組不同值,結(jié)構(gòu)失效概率估算結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞可靠性分析結(jié)果Table 3 The results of reliability analysis for missile suspension structure

        從表3可看出,隨著m2的增加廣義失效概率逐漸增大。m2=80時(shí)的評(píng)估結(jié)果與不考慮結(jié)構(gòu)失效的模糊性的分析結(jié)果相比,失效概率的相對(duì)變化達(dá)到31.772 8%。因此,采用模糊理論考慮壽命失效的漸變過(guò)程,才能更合理地評(píng)估吊掛結(jié)構(gòu)的可靠性。

        4 結(jié)論

        通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)部位是倒角部位,在靜力學(xué)和疲勞壽命分析的基礎(chǔ)上,建立考慮壽命失效漸變過(guò)程的廣義可靠性模型,通過(guò)二次響應(yīng)面法模擬其功能函數(shù),采用半正態(tài)隸屬函數(shù)來(lái)描述結(jié)構(gòu)狀態(tài)失效的漸變過(guò)程,再結(jié)合重要抽樣法來(lái)求解吊掛結(jié)構(gòu)的廣義可靠性。算例分析顯示,基于響應(yīng)面法的重要抽樣法能很好地解決結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性問(wèn)題。同時(shí),本文采用模糊隸屬函數(shù)考慮結(jié)構(gòu)失效的漸變過(guò)程,可更合理地評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全程度。

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