《采用响应曲面法的压力容器的结构可靠性评价(英文翻译)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《采用响应曲面法的压力容器的结构可靠性评价(英文翻译)（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Reliability, Maintainability and Safety, 2009. ICRMS 2009. 8th International Conference onDigital Object Identifier:10.1109/ ICRMS.2009.5269978Publication Year:2009, Page(s):972-977采用响应曲面法的压力容器的结构可靠性评价P.BHATTACHRJEE,K.Ramesh KUMARDRDL Hyderabad IndiaE-mail:pradeep9-摘要：航空航天产品最重要的要求是高可靠性和操作安全。许多航天标准需要
2、遵循的准则都是在设计阶段和经过多次迭代的产品参数而确定的。常规的设计做法不考虑变异。概率结构分析与传统方法不同的是提供了一种手段来量化设计的固有风险。在目前的文件中，响应面法被认为是评估结构的可靠性和安全性的方法。响应表面模型生成由实际测试数据验证。这种模式可以用于安全性指标，敏感性分析和结构优化，具有良好的信誉。关键词 ： 响应面法；概率设计；极限状态函数；平均值的方法和先进的一次二阶矩方法1.简介可靠性和结构安全是任何有重量和体积限制的航空产品的重要方面。在传统的确定性设计中，参数的变异通常是被忽略的。换句话说，我们不使用设计参数的变异性或分散。本文确定研究钛合金制成的球形压力容器。球形的
3、船只是用来存储运行发电机组，控制驱动系统等使用的高压气体。在研究的第一个阶段，一个完整的二十七个实验组合的阶乘实验产生在三个层面考虑设计参数（因素） 。每个实验组合是由 ANSYS 产生最大的环向应力。实验结果用于建立多元回归模型，这个模型由实验测试数据验证。在第靠性。本文讨论了这两种方法的结果。响应模型对实验数据已验证。预测和观察强调密切匹配二阶段，从响应面模型采用平均值的方法和先进的一次二阶矩方法评估结构可。2.符号g(x)、G(x) 性能功能回归系数012,可靠性指标/安全指数正常累积分布函数d ,D 从原点到极限状态函数的最小距离u 具有零均值和单位标准偏差向量统计独立的随机变量回归平
4、方2RR 可靠度均值标准偏差HS 环向应力P 压力内部半径iRt 厚度S 材料的极限强度T 转置极限状态函数：点的轨迹定义一个集合 G(x)=0，安全指数： ，安全指数，被定义为标准正态空间距离(1)G3.理论A响应面法（1，2，3）响应面法（RSM）用于构建一个因变量（响应）和一个 n 向量 X 的独立变量之间的近似关系。利用回归分析开发响应面。在本文中，像工作压力，直径，厚度和材料的强度设计变量是作为输入到 ANSYS 的代码，并记录输出在压力容器中的最大环向应力。形成的响应面模型，可以预测系统的有效性模型域范围内的独立变量的随机值。响应面模型方程用于结构可靠性的评价。B线性响应模型线性回
5、归模型，响应变量 Y，就 , 和 而言表示为1X230123YX其中 ， ， ， 是四个需要估计自变量 的系数。0123Y模型的精确度测量，通过错误统计，如调整系数 R 平方多个测定调整， ，根2adjR均方误差预测（RMSE）和变量的系数（COV=RMSE/平均响应） 。 接近 1 和小的变量2adj系数接近零，通常表明良好的准确性。重要的是要注意，回归模型可在其有效性域内使用。C平均值法（4，5）这种方法通常被称为平均值二阶矩法，因为它通常涉及对第一和第二时刻的平均估计的一阶扩展。G（x）：系统的性能，是一个设计变量函数的集。此功能可能是明确的。本文极限状态函数被称为 G（x）=G（ ）
6、（3）12,.,nX均值和线性极限状态函数的标准偏差是（5）1()()(/ ().(4)niixxiiExEHOT（6）21()()nixiGVGx可靠性指数 在极限状态函数中取决于 ,Gu(7)Gu可靠度 R=1- (8)D.先进的一次二阶矩方法在这个方法中所有变量转换成减少空间的一个集（9）ixiiu最靠近原点的极限状态点， 通常被称为最有可能的一点（MPP） 。12*(,.*)nuu从点 到极限状态 G(x)=0 的距离，由下面的表达式给出*u（10）1nid这实质上是一种非线性约束优化的情况下，最小值Minimize 1/21*()nTiduG(u)=0（等价于 G(x)=0）这里 d
7、= ，安全指数 Min =*Tu可靠度 R=1- 4.方法使用 RSM 的结构可靠性评估需要一个初始的变异的研究，是每一个设计参数的分散。在本案中，由钛合金制成的压力容器作为 RSM 的研究。考虑到操作压力，材料性能和几何参数，如内部半径和壁厚，最初的设计是在传统的确定方式进行。设计参数由表一给出表一 设计参数半径 149.5mm工作应力 35 Mpa设计应力 40 Mpa耐用应力 60 Mpa联合效率 95%材料 钛合金施工 焊接施工焊接类型 电焊5.数据收集一个系统的数据收集在生产中心的制造过程中已经进行，从原材料开始到最终产品。材料特性是从供应商提供的测试证书上得来的。每个压力容器焊接前
8、需要知道的数据有：化学成分，热处理细节，极限抗拉强度，屈服强度，伸长率，厚度为壁厚的映射，内部半径。再对制成品进行非破坏性评估。进行强度和结构的完整性试验的各个方面压力容器都令人满意。每篇文章都受到水压试验证明水平。株是在关键位置的液压测试期间监测。每篇文章的最大主应力由应变数据计算。参数变异的详情由表二给出。符合正态分布的压力，半径，厚度及材料强度参数。表二 变异参数因素 压力（P）Mpa 内部半径（R）mm厚度（t）mm材料强度（s）Mpa均值（u）标准偏差（ ）361.98 149.50.50 7.910.25 8608.66.建模为了产生响应面模型，每个设计参数（系数）分为三个水平，如
9、流程图附录 AI所示。做二十七个处理的组合，每个组合作为试验审议并输入到 ANSYS 的代码。记录输出的最大环向应力。试验布局和测试结果的细节见附录 AII。7.分析A.响应面分析2，3使用 MATLAB 统计工具箱进行了实验结果的统计分析（附录-AII） 。响应面方程和方差分析的详细资料（表三）如下：回归方程环向应力=26.2471+12.0344*P+3.8707*R-93.3623*t （11）极限状态函数g=s-26.2471-12.0344p-3.8707R+93.3623t （12） 表三变异来源 平方和 自由度 均方根 F回归 940650 3 313550 258.5205剩余
10、（错误） 27896 23 1212.9总和 968546 26(列表)(3,2)0.958FF 计算 F 列表设计参数的影响显著。R2=0.97120.9674adjB.可靠度分析（安全指数）用如下的平均值法和先进的一次二阶矩方法进行可靠性分析平均值法（MVM）g=s-26.2471-12.0344p-3.8707R+93.3623t222 26.4713.801.349.63560.341.8iigs Riptggggsp tRgguuuu先进的一次二阶矩法（AFOSM）考虑响应面（11）建立极限状态函数，结构可靠性（安全指数）如下计算极限状态函数（12）g=s-26.2471-12.03
11、44p-3.8707R+93.3623t=1， =8.6， =8.6gssgs=-12.0344， =1.98， =-23.8281gppgp=-3.8707， =0.50， =-1.9335igRiRiigR=93.3623， =0.25， =23.3405gtt gtD222 2iiggggspRtD=34.63方向余弦 0.2483,0.68,0.58,.6739ispRt极限状态功能函数上最可能的最大限度减少到原点距离的点如下 .153249.07768isYpRtSPi将上述值带入极限状态函数（12） ，g=0，我们得到 =16.27698.验证耐压测试期间观察到的最大应力与表四中给
12、出的响应面模型进行比较。从回归方程 分析中，可以明显看出观察和预测的压力有密切的联系。20.9674adjR表四 最大主应力（观察与预测）（验证测试）组 压力（mpa） 观察应力（mpa） 预测应力（mpa）1 20 164,172,173 1072 30 245,258,260 2273 40 330,346,353 3484 50 419,453,455 4685 60 556,560,568 5889.结果从上述观察和分析，可以得出如下解释 回归值 表明响应面模型很好地代表了实验数据。20.9674adjR 从响应面图可以明显看出厚度是最敏感的参数，如“图 1”附录 1 所示 当 压力容
13、器的可靠性0.99991 压力容器超过设计，因此可以在较高的工作压力或厚度下操作，或者可以尽量减少对体重的减轻 观察压力和预测压力密切匹配，如“图 2”附录 1 所示10.结论通过使用响应面方法建立了一个简化和有效的模型，并通过关于压力内部半径和厚度的一组实验结果参数验证。建立的模型可用于压力容器的设计和结构分析。用低阶多项式响应面近似评估结构的可靠性，成本低廉。感谢衷心感谢 DRDL 主任的一直以来的支持和鼓励，感谢 DRDL 和 RQA 的帮助。参考文献1P.Bhattacharjee,R.Kumar,T.A Janardhan Reddy.“Structural Reliability
14、Analysis of a Pressure Vessel using Multiple Regression,”Proceedings of Intemational Conference on Computational Methods in Engineering and Science(IC-CMES09)8-10,2009,pp258-262.2X.Y.Qu.“Reliability-Based Structural optimization using Response Surface Approximations and Probabilistic Sufficiency Fac
15、tor Dissertation”,University of Florida.2004,pp.19-20.3C.Douglas,Montgomery Design and Analysis of experiments,John Wiley and Sons Inc,2004.4P.Bhattacharjee,“Structural Reliability Assessment of Pressure Vessel,”Journal of Aerospace Quality and Reliability,2009,Vol.5,pp159-163.5G.R.David,“A survey of Probabilistic methods used in Reliability,”Risk and uncertainty analysis analytical Techniques-1.SANDIA R
