矢量喷管机构动态强度可靠性分析

矢量喷管机构动态强度可靠性分析
  
郭秩维，白广忱，高阳 北京航空航天大学能源与动力工程学院，（100083）

摘要：根据轴对称矢量喷管构件应力特点，建立了构件应力的平稳二项随机过程最大值分布可靠性模型。应用有限元软件ANSYS进行了构件可靠度计算，并比较了蒙特卡洛方法和响应面方法。通过灵敏度分析，指出了采用梁单元交互节点方式时，梁单元的参数会对构件的动态应力计算结果产生影响。
关键词：轴对称矢量喷管；平稳二项随机过程；可靠性；蒙特卡洛法；响应面法
1 前言
轴对称矢量喷管是实现飞机推力矢量技术的重要组成部分，其可靠性问题是设计人员尤为关注的问题。从机构的可靠性角度来看，机构的可靠性可以分为：运动功能的可靠性和强度可靠性。而机构构件的强度又直接影响着机构的运动功能的实现，很多大型机构的运动功能的失效往往都是由于其组成机构中的某个构件失效而造成的，因此对轴对称矢量喷管机构中的重要构件进行强度可靠性分析，尤其是动态强度的可靠性分析就显得尤为重要[1～3]。
2 构件动态强度可靠性模型

3 构件可靠度计算
从构件应力确定性分析中可以得到构件最大应力随时间变化有如图1的规律，在考虑给定时间段内构件的可靠性时，可应用上面的可靠性分析模型。由上面的分析可知，对于采用应力的平稳二项模型很重要的是获得时间点上的应力分布。而ANSYS中的PDS模块可以帮助解决这个问题

4 结 论
（1） 当构件的最大应力随机过程的样本函数可模型化为等时段的矩形波函数时，可以采用平稳二项随机过程模型；它比只考虑最大应力时刻的瞬时可靠度模型更符合实际情况；如果把构件在设计周期的强度看作一个串联系统，平稳二项随机过程可靠性模型的物理意义就是求此串联系统的可靠度。
（2）由基于响应面的蒙特卡洛方法所得到的结果与仅利用蒙特卡洛抽样所得到的结果比较来看，在响应面拟和程度较好的情况下，利用基于响应面的蒙特卡洛方法的效率高，而且结果与仅利用蒙特卡洛方法抽样所得的结果一致，具有很高的可信度。
（3）利用梁单元交互结点方式的动态应力分析中，梁的参数对应力的结果是有一定影响的。
参考文献：
[1] 金捷.轴对称矢量喷管数值仿真与试验研究[D].北京: 北京航空航天大学博士论文, 2002
[2] 吴大观.矢量喷管研究技术初议[J].燃气涡轮试验与研究, 1994,(3): 56-58
[3] 刘大响等.世界航空动力技术的现状及发展动向[J].北京航空航天大学学报, 2002 ,28(5): 490-496
[4] 何水清,王善.结构可靠性分析与设计[M].北京：国防工业出版社，1993
[5] 张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京：清华大学出版社，2004

An reliability analysis of dynamic strength of the Vectoring Exhaust Nozzle Machine

Guo Zhiwei, Bai Guangchen, Gao yang
（School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing, 100083,China）

Abstract: In this paper a stationary binomial random process reliability model of maximum distribution of stress of a component is employed, according to characteristic of stress of the component attached to axisymmetric vectoring thrust nozzle. Computation of reliability, which makes full use of ANSYS software, and the comparisons between Monte Carb method and Response Surface method have also been done. By the sensitivity analysis, it also concludes that the parameters of beam cell have impacts on the results of dynamic stress when adopting the method of exchange point of beam cell.

Key word: Axisymmetric vectoring thrust nozzle; stationary binomial random process; reliability; Monte Carb method; Response Surface method