[发明专利]一种含初始缺陷矩形板结构的时变可靠性设计方法

说明书

本发明公开了一种含初始缺陷矩形板结构的时变可靠性设计方法，该方法首先根据缺陷板结构的受力特点，考虑有限样本条件下载荷、材料特性、设计许用值等参数的不确定性效应，建立矩形板结构裂纹扩展长度的非概率区间过程模型；进而基于经典Paris损伤演化公式与首次穿越理论，构建含初始缺陷结构的时变可靠性度量模型；以可靠度作为约束条件，以减重作为优化目标，以板厚作为设计变量，通过反复迭代获得拟定服役期内结构的最优设计方案。本发明在进行优化设计过程中合理表征了不确定性对含初始缺陷结构拟定生命周期内动力安全的综合影响，并可实现有效减重，确保设计本身兼顾安全性和经济性。

技术领域

本发明涉及含初始缺陷板结构的优化设计技术领域，特别涉及一种含初始缺陷板结构时变可靠性设计方法，该方法考虑时变性、不确定性共同作用下裂纹扩展尺度对结构安全性能的定量表征以及基于时变可靠度指标约束下拟建含裂纹矩形板结构不确定性优化方案的制定。

背景技术

由于厚度小、质量轻、耗材少、性能好，使板结构成为具有优良特性的结构元件。此外，鉴于其自身具有结构形式规整、易于加工拆装及运输便携等优点，板结构不仅被大量应用于航空航天、船舶、兵器等军工领域，还作为最基本和最主要的构件频繁出现在桥梁、建筑等民用结构系统中。因此，针对板结构的力学特性分析与设计技术研究具有重要的理论意义与工程实用价值。

然而，工程板结构的服役环境相对复杂，制造加工工艺及材料非均质性所造成的初始缺陷和损伤不可避免，并在未来长期服役过程中于结构内部不断发展、蔓延、传播，严重影响着结构的力学行为及使用安全。此外，考虑到材料的分散性、载荷环境的非确知性以及设计准则的模糊性，不确定性效应伴随着损伤演化的整个动态过程，更加剧了初始缺陷所衍生的安全隐患，也使得传统的基于结构完整性假设的分析与设计方法不再适用。综合上述情况，针对拟建的含初始缺陷板结构开展不确定性分析与优化设计方法研究已受到学术界和工程界的高度重视。

当前，国内外学者与工程技术人员对含初始缺陷板结构的不确定性分析与设计研究主要集中在两个方面：(1)基于概率统计理论的结构不确定性损伤演化预测技术；(2)基于静态可靠度约束的结构不确定性优化设计技术。上述工作一定程度上丰富了含初始缺陷板结构的分析与设计理论，但是忽略了随机方法对样本信息的依赖性以及裂纹扩展历程的时间相关性，大大限制了其理论的工程实用化进程。

由于实际工程中贫信息、少数据的情况时有发生，建立以非概率理论框架为基础的不确定性表征技术、损伤演化特征量评估技术、时变可靠度建模与求解技术以及基于可靠性的优化设计技术具有显著的现实意义。目前，相关研究工作尚不成熟，针对拟建含缺陷板结构的方案设计经常无法严格满足所需的应用要求，亦或是安全冗余度过大，造成严重的资源浪费与时间成本损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对拟建的含初始缺陷板结构的减重优化设计方法。本发明充分考虑实际工程问题中普遍存在的不确定性因素，以提出的非概率时变可靠性度量指标作为优化模型的约束条件，所得到的设计结果更加符合真实情况，工程适用性更强。

本发明采用的技术方案为：一种含初始缺陷矩形板结构的时变可靠性设计方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤一：根据矩形板结构的几何特征、缺陷形式和位置、材料属性以及载荷边界条件，推演结构应力变程Δσ的解，其中，矩形板结构的几何特征包括板宽W和板厚t，缺陷形式和位置包括初始边裂纹长度a₀，材料属性包括裂纹扩展特征参数C、β和n，其中C和n一般由试验数据拟合得到，β为量纲为一的应力强度因子或结构构型因数，对于给定的裂纹几何及载荷条件，β通常是裂纹长度的函数，载荷边界条件包括交变载荷P，N表示交变循环载荷次数，a(N)表示当前交变循环载荷次数下的裂纹长度，基于经典Paris公式，进而获取裂纹扩展速率的显式表达式，即