[發明專利]基于QMU的顫振設計方法

有效

• 申請號: 201611174664.5
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106777696B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 楊婧;張保強;陳慶;蘇國強
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森;曾權

基于QMU的顫振設計方法，涉及不確定性與裕度量化技術。1)建立結構的有限元模型；2)通過商用有限元軟件計算確定性條件下結構的顫振速度，并除以一定的安全系數作為顫振邊界；3)通過概率分布描述隨機不確定性影響下的顫振分布；4)基于顫振速度概率分布，通過QMU技術量化顫振速度的不確定性度與裕度，并得到置信因子CR，作為顫振邊界安全性評估依據；5)通過置信因子求解認知不確定性因素的安全范圍，取認知不確定性的兩個參數區間，劃分為n×n的區間，在每個區間對隨機不確定性參數進行m次抽樣計算并插值得到CR＝1和CR＝2的曲線，劃分出確保顫振安全性的不確定性因素范圍及一定程度上量化不確定性因素的影響。

技術領域

本發明涉及不確定性與裕度量化技術，尤其是涉及一種基于QMU的顫振設計方法。

背景技術

不確定性廣泛存在于實際的工程問題中，主要分為兩類，一為隨機不確定性，如結構加工制造以及使用的過程中的材料載荷屬性等參數不確定性，多采用概率分布描述；二為認知不確定性，是由于知識有限而產生的不確定性，多采用區間分布描述。目前大多數的研究只針對于隨機不確定性，事實上認知不確定性對結果的影響同樣不可忽視。顫振是動氣動彈性穩定性研究領域最引人注目的問題。飛機發生顫振是非常危險的，當飛行速度超過顫振臨界速度時，振幅激劇增加，甚至可以快速摧毀一架飛機。飛行器在飛行包線范圍內不允許發生任何形式的顫振，但顫振邊界又不能過于保守影響飛行性能，因此根據性能和指標合理的設計含有認知不確定性的參數，以保證顫振邊界即安全又不過于保守至關重要。

QMU(quantification of margins and uncertainties，不確定性與裕度量化技術)為2001年美國能源部下屬的國家核安全管理局聯合洛斯阿拉莫斯、勞倫斯·利弗莫爾和圣地亞三大國家實驗室提出的新方法(Pilch M,Trucano T G,Helton J C.Ideasunderlying quantification of margins and uncertainties(QMU):a white paper[J].Unlimited Release SAND2006-5001,Sandia National Laboratory,Albuquerque,NewMexico,2006,87185:2.)，在實驗數據不足的情況下用于評估庫存核武器的可靠性和安全性。QMU方法以產品正常運行為研究對象，以故障物理模型和裕度設計為基礎，認為要使系統達到所需的性能，必須針對已知的潛在失效模式，為系統留出足夠的設計裕度，以確保系統絕對可靠，但是在計算性能裕量M的時候，會受到多種隨機和認知不確定性因素的影響，一旦這些不確定性綜合值大于性能裕量M，產品就可能產生故障或失效。在QMU中采用置信因子CR，即性能裕量M與不確足性U的比值來表征性能裕量與不確定性之間的這種關系，當CR>1時，我們認為系統是安全的。該方法能夠作為不確定性條件下，飛行結構顫振裕度的安全性評估依據，并基于此對認知不確定性參數進行設計。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的上述不足，提供一種基于QMU的顫振設計方法。

本發明包括以下步驟：

1)建立結構的有限元模型；

2)通過商用有限元軟件計算確定性條件下結構的顫振速度，并除以一定的安全系數作為顫振邊界；

3)通過概率分布描述隨機不確定性影響下的顫振分布。考慮有限元模型中相關參數的不確定性，如彈性模量，剪切剛度作為隨機不確定性，材料密度，空氣密度比作為認知不確定性，采用蒙特卡洛抽樣方法量化隨機不確定性顫振速度的概率分布。

4)基于顫振速度概率分布，通過QMU技術量化顫振速度的不確定性度與裕度，并得到置信因子CR，作為顫振邊界安全性評估依據；