基于蚁群算法的结构疲劳可靠性优化方法研究

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1、基于蚁群算法的结构疲劳可靠性优化方法研究开展了结构可靠性的研究工作。他提出的在随机荷载作用下结构安全度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947年他发表了“结构安全度”一文，奠定了结构可靠性的理论基础。自此，人们开始意识到实际工程的不确定因素，并将概率分析和概率设计的[20]思想引入到了实际工程中。1947年，前苏联学者拉尼岑提出一次二阶矩（FOSM）理论的基本概念，1954年又提出应力—强度的正态—正态模型，并给出了计算结构失效概率的方法及对应的可靠性指标公式，推导了用正态分布二阶矩表达的可靠性中心安全系数的一般形式。美国“大力神”导弹壳体结构设计采用了这种中

2、心安全系数。1969年，Cornell提出了与结构失效概率相联系的可靠性指标作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，并建立了结构安全度的FOSM理论。1971年，Lind采用分离函数方式，将可靠性指标表达成了易于被工程界接受的分项系数形式。1974年，Hasofer和Lind根据失效面而不是失效函数来定义失效模式的可靠性指标，得到了改进的一次二阶矩（AFOSM）理论。1977年Rackwitz和Fiessler提出了R—F算法，使得任何非正态随机变量都可以在设计点处转化为正态随机变量，从而使非正态随机变量和非线性极限承载状态构成的失效模式的[20]失效概率计算成为了可

3、能。由于R—F算法的良好适用性，国际结构安全性联合委员会（JCSS）将其采纳，正是命名为JC算法。JC算法的出现，标志着在失效模式可知的条件下，结构失效概率的计算得到实现。近几十年来，随着可靠性设计的发展和完善，使其在计算结构可靠性指标方面得到了越来越广泛的应用。可靠性设计作为一门学科，它的发展大致经历了以下几个阶段：第一阶段（30~40年代），为可靠性设计的萌芽阶段。这个阶段中，随着数理统计的发展，以及可靠性初步概念的提出，形成了可靠性设计发展的雏形；第二阶段（50年代），为可靠性设计的兴起阶段。这个阶段确定了可靠性设计的内容；第三阶段（60年代），为可靠性设计的

4、全面发展阶段。这个阶段主要制定一系列与可靠性有关的标准，并深入进行了可靠性基础理论和工程方法的研究，完善了可靠性设计和试验方法，开展了失效机理的研究，提出了失效模式和失效树分析两种可靠性分析技术；第四阶段（70年代以来），为可靠性设计深入发展阶段。这个阶段主要是加强可靠性管理和形成质量保证体系，完善可靠性技术标准，研究可靠性试验新技术。目前，随着科学的发展，可靠性技术的研究还在不断的充实和提高。在轮盘可靠性设计方面，由于涡轮盘工作时承受着高温、高机械负荷，其低循环疲劳特征较明显。据统计，航空发动机结构故障占总故障的60%—70%，而疲劳破坏又占发动机结构故障的80%

5、—90%。轮盘等关键件低循环疲劳失效具有后果严重、分散性较大的特点。经验表明，材料属性的固有分散、载荷随机波动、4南京航空航天大学硕士学位论文几何尺寸分散等均可对轮盘疲劳寿命分散产生不可忽略的影响。[21]从国内外已发表的文献来看，目前结构元件疲劳可靠性分析方法，大致可以分为以下几种模型：1)P-S-N曲线模型，对给定的应力范围S，用P-S-N曲线计算得到的疲劳寿命是具有存活率P的安全寿命；2）基于局部应力应变法的疲劳可靠性模型；3）剩余强度模型，该模型通过对元件剩余强度在疲劳载荷下随时间变化规律的研究，从而求出其寿命参数。4）累积损伤模型，该模型基于累积损伤理论及

6、应力幅值和循环次数的统计分布，得到关于累积损伤或疲劳寿命的统计参数；5）疲劳寿命模型，通过对疲劳寿命和疲劳损伤规律的研究，以疲劳寿命作为可靠性分析的参数。这几种模型的区别在于采用描述疲劳损伤所选取的参量不同，最终建立起来的元件在疲劳载荷作用下的安全余量也有所不同。在“综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）”研究中，美国提出了概率设计系统（PDS）的新概念。该系统在确定性方法的基础上，采用材料、几何尺寸、载荷等诸多变量的统计分布进行设计，PDS可以使构件在重量、使用寿命及其它准则方面得到优化，将设计储备降到可接受的可靠度水平，并保证安全性和工作能力的相对平衡。在

7、上世纪八，九十年代，美国军方委托GE、P&W公司承担了发动机轮盘概率设计系统的研制，主要工作基本上在2000年前结束。在这期间以后，又展开了叶片等其他部件概率可靠性系统的研究工作，研究表明概率设计系统能够满足IHPTET的要求。20世纪90年代以来，国内外发展的AMV法、CPF法、应变—寿命参量关系法及应变—载荷强度干涉法，与应力研究方法类似，是从P—e—N曲线角度研究轮[22]盘应变疲劳可靠性的。HeffernThomasV应用线性回归方法分别讨论了几种轮盘[23]疲劳概率模型。陆山、吕文林则是基于概率有限元，利用H—L法求解轮盘失效概率。但AMV法、CPFI