DFR法在结构疲劳优化设计中的应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252013V01．34No51122—1128ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaeduCnDFR法在结构疲劳优化设计中的应用陈滨琦，曾建江*，王一丁，童明波南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：提出了基于有限元分析的细节疲劳额定值(DFR)疲劳可靠性分析方法，将有限元分析与疲劳分析进行关联，编写基于有限元分析的DFR法分析软件(FEM—DFR)，对试验件进行疲劳寿命分析，与试验对比吻合较好．验证了方法的准确性。

2、在此基础上，针对疲劳优化周期长和效率低的问题，开发了集成Patran／Nastran、FEM-DFR和iSIGHT的疲劳优化平台，在此平台上完成了某型飞机作动筒支座细节的优化，该平台数据传输流畅、操作效率高、优化质量好，具有一定的工程应用价值。关键词：有限元分析；疲劳可靠性；疲劳优化；细节疲劳额定值；集成；平台中图分类号：V25；THl22文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)05—1122—07基于疲劳寿命的结构优化方法是一种长寿命、高可靠性的结构设计方法，克服了传统结构设计的固有缺点，已经成为目前新产品设计的一个有效手段，是航空、汽车等领域结构设计的发展方向。结构疲劳优

3、化设计需要进行反复循环迭代，工作量大，不仅需要多次对疲劳寿命进行计算，而且一个疲劳载荷谱对应多种载荷工况，在进行疲劳分析之前，还要进行多种载荷工况的有限元分析，导致整个优化设计周期长、繁琐、效率低下。应用响应面方法进行疲劳优化口_6]，避免了结构优化过程中出现的数值计算噪声问题，减少了计算工作量，提高了优化质量。基于参数化有限元分析的结构疲劳寿命优化方法H。7]，减少了重复操作，提高了有限元分析的效率。但是有限元分析、疲劳分析以及优化分析之间相对独立，仍存在不少重复操作。对于复杂结构进行疲劳优化设计，实际需要考虑的因素多，变量多，优化目标多，仅依靠参数化有限元分析和构建代理模型已无法提高整

4、体疲劳优化设计的效率。本文提出了基于有限元分析的DFR疲劳可靠性分析方法，将有限元分析与疲劳分析进行关联，以提高分析效率，经试验验证该算法有效、合理。在此基础上，建立了结构疲劳优化平台，将有限元分析、疲劳分析和优化分析耦合连接。最后，在该优化平台上完成了某型飞机作动筒支座细节疲劳优化。1基于有限元的疲劳寿命计算1．1DFR法DFR法是在总结结构细节疲劳特性的统计特性的基础上形成的一种以名义应力为参量的疲劳寿命分析方法，是一种较好的工程实用方法[8。13I。用DFR法进行疲劳可靠性分析的关键在于准确得到紧固件载荷分布，找到危险铆钉或者螺栓位置、分析钉传载荷比、确定细节疲劳额定收稿日期：201

5、2-06—19；退修日期：2012-07—12；录用Et期：2012-08—21；网络出版时间：2012．09—1817：12网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V201209181712003html*通讯作者Tel：025—84891445E-mail：zengjj@nuaa．edu．CR乳用格武：ChenBQ，ZengJJ，WangYD，etal．ApplicationofDFRmethodtooptimalfatiguedesignofstructuresActaAeronauticaetAs—tronauticaSinica，2013，34(

6、5)：1122-1128．酶滨碡，莒建江．王一1t等DFR法在缍构疲劳优化设讨中的应甬．虢空学报，2013．34(5)：1{22．1128．陈滨琦等：DFR法在结构疲劳优化设计中的应用强度以并求出名义应力。工程上常用解析法进行连接件内力分析，能得到较准确的结果，但只能对简单、规则连接件进行计算，难以计算空间结构和对结构作整体分析，但是对结构作整体分析往往是很有必要的[1“。采用有限元方法，则可以对绝大多数结构元件进行模型简化，通过对结构进行准确的模拟得到精确的载荷分布。对于任意的连接件细节，可以从细节有限元分析结果中获得钉传载荷以及钉周围附近节点上的载荷在总体坐标系下z、Y方向上的节点力。

7、本文参考了连接件及周边平衡载荷系的等效方法[15I，在此基础上进行名义应力的求解。取出钉节点周围的单元形成一个闭合的区域Q，如图1所示，P。与P。，为总体坐标系z、了方向上的钉传载荷，Pa。为总体坐标系xoy下的钉载总和，P。与P：。为钉周围第t'1个节点所受的外载荷。在该区域内满足力平衡，将周围节点坐标及所受载荷转化为以钉传载荷方向为d7轴的局部坐标系上，如图2所示，P。，与P，，，为局部坐标系下z7、Y7方向上的旁路