飞机结构静强度计算
M RS
可靠度定义为元件能可靠承载的概率,可以表示为
Pr P{R S 0}
则元件的失效概率可以表示为
Pf P{R S 0} 1 Pr
4.3 应力强度干涉模型
Pr P{R S 0}
可靠度一 般表达式
Pr
1 Pf
1
fS
s
2 P
8P d3
2 d
462.51( N
mm2 )2
M 4.8926 M
4.5 可靠性指标(均值一次二阶矩法)
在上例中若安全余量取为
d2
M g(R, P, d) R P
4
采用同样方法求得的可靠性指标为 4.522
从计算结果可以看出,取不同的安全余量,用均值一 次二阶矩方法求得结果是不同的,因此需要改进。最常用 的方法为改进的一次二阶矩方法(验算点法、JC法)。
但由于一次二阶矩方法有计算方便简单的特点,应用 较广泛,对于初步估算较好。
4.6 可靠性指标(验算点法、JC法)
a)随机变量为正态分布情况
Hasofer和Lind建议根据临界破坏面而不是安全余量方 程定义失效模式的可靠度指标 。对于同一物理问题,根据HL算法计算得到的可靠度指标 ,不会由于选择不同形式的等 价安全余量方程而发生变化。H-L方法的计算程序为
解:安全余量为
4P M g(R, P, d) R
d2
则
M
g(R
,
P
,
d
)
R
4P d2
4 20000
360
105.22 N
3.14 102
mm2
2
2
2
2 M
n i 1
g X i
2 X
i
2 R
4
d2
i1 X i
|P*
Xi )2
X
* i
cosX i
cos Xi
X
* i
Xi
Xi* Xi
Xi
Xi
cos X i
Pr ( ) 1 Pf 1 0.3106
以上讨论的为线性安全余量,且变量服从正态分布。
4.5 可靠性指标(均值一次二阶矩法)
以上讨论的为线性安全余量,当安全余量为非线性时, 将安全余量方程在各变量均值点处进行泰勒展开,仅取展 开项中的线性项(一次项),忽略高次项,则有
M g( X1, X 2,
飞机强度计算方法
飞机结构静强度计算
3.1飞机结构静强度与结构可靠性计算
结构静强度计算方法有多种,但结构静强度计算仍 是结构设计的基础,主要体现在下列三个阶段。
• 飞机总体设计中的结构布局和结构形式的确定
• 对结构连接部位、开口区、复合材料铺层等细节进行设计计算 • 结构静强度校核阶段
• 机翼和机身的强度估算 • 结构有限元分析 • 结构优化设计 • 结构可靠性
R R S S (R S ) 0
失效区
β 安全区
R 0 S 0 (R S ) R S
2 R
2 S
2 R
2 S
r
图 2.1 的几何解释
Fig.2.1 Geometry explain of
4.6 可靠性指标(验算点法、JC法)
从式(2-15)可以看出,对于同一物理问题,根据 H-L 算法计算得到的可靠 性指标 不会由于选择不同形式的等价安全余量方程而发生变化的原因是:
等价的安全余量方程在临界破坏面 g(Z) 0 上是完全等价的。
min
g
(
z)
0
n
zi2
i 1
R*
cosR
S* cosS
时刻的条件破坏概率密度; 平均无故障时间MTTF(Mean Time To Failure),指从开
始使用到发生故障的工作时间的期望值。
4.2 结构安全余量方程
进行结构元件可靠性分析时,需要建立起元件设计变 量与元件能力表征量间的分析关系,这类似于确定性分析 设计中的工程破坏判据,但可靠性分析是建立在随机变量 的分析基础之上。这个概率型的联系设计变量与结构元件 固有性能表征量间的破坏判据,通常称为元件的安全余量 方程(功能函数)。
4.1结构可靠性概念
例如: 结构静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大
于工作应力的概率; 结构安全寿命可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使
用寿命的概率; 结构损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工
作应力的概率,另一方面指结构在规定的未修使用期内, 裂纹扩展小于裂纹容限的概率。
其它可靠度度量方法: 结构的失效概率F(t),指结构在t时刻之前破坏的概率; 失效率λ(t),指在t时刻以前未发生破坏的条件下,在t
4.4 可靠性指标
例如某构件强度和所受应力均服从正态分布,具体数
据如下:
R
4.0
108
Pa,
2 R
16.01014 (Pa)2
S
1.5
108
Pa,
2 S
9.01014 (Pa)2
则
M RS
M
M
R S
1
2
22
R
S
4108 1.5108 5.0 16 1014 9 1014
将随机变量 Xi 进行正则化处理
Zi
Xi i i
相应的可靠度指标定义为
min
g(z)
0
n
zi2
i 1
4.6 可靠性指标(验算点法、JC法)
对于基本情况和一般线性的安全余量定义的可靠度指标 ,可给出简单的几
何解释。考虑有相互独立基本变量 R 和 S 组成的二维基本情况。设其平均值
n
i1
( g X i
|P*
Xi )
n ( g
i1 X i
|P*
Xi )2
Xi
n i1
g X i
|P*
n ( g i1 X i
(Xi
X
* i
)
|P* * Xi )2
0
cos Xi cosXi
g X i
|P*
Xi
n ( g
2 X
i
则可靠性指标为 M M
4.5 可靠性指标(均值一次二阶矩法)
算例:某受拉铝杆,已知材料强度均值为μR=360N/mm2,标 准差为σR=20N/mm2;杆的直径d的均值μd=10mm,标准差为 σd=0.04mm;所受拉力P的均值μP=20000N,标准差σP=600N。 求该拉杆的可靠性指标。
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1、机翼和机身的强度估算
一般采用有限元方法,但在结构初步设计和结构强 度分析时,常采用薄壁结构力学方法。具体的公式和简化 方法可参见设计手册,不一一讲解。
2、结构有限元分析 MSC/NASTRAN
3、结构优化设计 4、结构可靠性
4.1结构可靠性概念
可靠性是指结构在规定条件下和规定时间内,完成 规定功能的能力。
Xi
Xi Xi Xi
(i
1, 2,
, n)
Z g( X1 X1 X1 , X 2 X2 X2 , , X n Xn Xn ) 0
4.6 可靠性指标(验算点法、JC法)
按泰勒级数展开并取一次项有
Z g( X1 X1 X1 , X 2 X2 X2 , X n Xn Xn )
cosR cosS
R
R2
S2
S
R2
S2
s
失效区
β 安全区
r
图 2.1 的几何解释
4.6 可靠性指标(验算点法、JC法)
2)多个正态随机变量的情况 设结构的极限状态方程为 Z g(X1, X 2, ,X n ) 0
式中:X1, X2, ,Xn服从正态分布且相互独立.
S
f
R
(r
)dr
ds
f
fS
fR
O
μS
μR 干涉区
R,S
4.3 应力强度干涉模型
应当指出应力强度干涉模型揭示了概率设计的本质。 从干涉模型可以看到,就统计数据观点而言,任何一个设 计通常存在着失效概率,即可靠度小于1,而我们设计能够 做到的仅仅是将失效概率限制在一个可以接受的限度之内, 该观点在常规设计的安全系数法中是不明确的。可靠性设 计的这一重要特征客观地反映了产品设计和运行的真实情 况,同时还定量地给出了产品在使用中的失效概率或可靠 度,因而收到重视与发展。
4.4 可靠性指标
Pr PR S 0 PM 0
Pr
1 Pf
1
fS
s
S
f
R
(r
)dr
ds
当应力和强度均为正态分布时,有
可靠性指 标
Pr P R S 0 P M 0
M
M
1
2
结构可靠性定义的要素是三个“规定”(“规定条 件”、“规定时间”、“规定功能”)
结构在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功 能的概率称为可靠度。