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机械可靠性英文文献及翻译

 

Mechanical Reliability

Simulation

Jianfeng Xu, Yalian Xie, Dan Xu

Shanghai Institute of Process Automation

Instrumentation Shanghai, PRC

Generally a mechanical system is composed

Abstract—This article provides a numerical method

to simulate the reliability of a complicated

mechanical system with multiple input random

parameters. The method bases on the theory of

mechanical reliability and uses a commercial FEM

software, ANSYS. The quantitative reliability of

the mechanical system is obtained by Monte Carlo

simulation. The method is verified by theoretical

analysis and is applied to a real structure. This

method has prevented the tedious mathematical

calculation and is more economical than

experimental methods. It can be used as a

complement of traditional experimental methods.

Keywords—MechanicalReliability;Finite

Element

Method; Monte Carlo Simulation

I.  INTRODUCTION

Based on the national standard GB/T 3187-

1994 [1], reliability has been defined as

“the probability that a product will

satisfactorily perform its intended function

under given circumstances for a specified

period of time”. Reliability has been viewed

as one of the most critical parameters for the

products. For example, it is said in US that

reliability will be the focus of competition

for the future products. Most Japanese

companies take more reliable product as their

main objective for company development.

Therefore, to accurately predict the

reliability of the product, and to optimize

the design based on the reliability

requirements is very meaningful.

by many parts. A system’s reliability is

determined by many parameters, such as the

number of components, the quality of the

components and also how those components are

assembled. It is also related to the material

properties, manufacturing technologies,

dimension tolerances and so on. Most of the

references

currently available are focused on the

theoretical derivation for reliability

calculation, however, due the complexity, it

Normally the structural maximum stress and

the material strength are distributed with

certain probability density. Figure 1 shows an

example of the distribution, in

requires tedious mathematical calculation.

Another method to obtain the reliability of a

which

f (σ )

and

g( s)

represent the

system is by experiments, which requires

enough samples and testing time, thus the

experimental method can only be applicable to

those most critical systems.

This article uses mechanical strength

reliability as an example, illustrates how FEM

can be applied to the reliability simulation.

maximum stress

and material strength, respectively. In Figure

1(a), since

is always larger than

reliability of the structure is 1. However, in

Figure 1(b), it is not

The method employs commercial FEM software,

ANSYS, and takes advantage of the integrated

Monte Carlo simulation function. A simple

example is analyzed to verify the correctness

guaranteed that

) . There is an

g( s)

be larger than

f (σ

of the method. The verified method is then

applied to a real structure to obtain the

quantitative reliability of a complex system

with multiple input random parameters.

II. STRENGTH-STRESS INTERFERENCE THEORY

interference zone in the distribution, as

shown in the shaded area and zoomed in Figure

2. Thus the reliability of the structure is

less than 1. Based on the mathematical

derivation, the reliability can be calculated

by integration with the distribution.

 

978-1-61284-666-8/11$26.002011 IEEE 1147

R = P(σ< s) =

σ +g( s)ds dσ

−∞ + f (σ )

III. METHOD DESCRIPTION

The commercial FEM package ANSYS has a PDS

f (σ )g(s)

 

(a)

(Probabilistic Design Simulation) module [2].

The module defines dimension, material

properties and other parameters as random

variables with certain distributions. The output

stress and displacement can be defined as

results variables. Samples are collected based

on Monte

Carlo method to obtain the distribution of

f (σ

 

(b)

g(s

output variables.

With the PDS module, a suitable analysis

file should be firstly generated to define the

simulation process and to define the input and

output variables. If necessary, correlation

between input parameters can also be defined.

Monte Carlo method is then employed to collect

enough samples for simulation. Since each run is

independent, the

Figure 1 Stress and strength

distribution

 

g(s)f (σ )

 

Figure 2 Stress-strength interference

zone

To create analysis file and

to define

parameters

To define the input random

parameters and

distributions

To define correlations

between input

To define output random

variables

To define method for probabilistic simulation

Response surface simulation

Results review

Figure 3. Flow chart for strength

method is suitable for parallel

run to save time. Generally

50~200 samples are collected in

Monte Carlo method to insure

the correctness of the results.

In some cases, the output

variable is a smooth function

of the random input variables.

with limited time. Basically the flowchart to

simulate the strength reliability with ANSYS

can be shown in Figure 3, in which the dashed

steps indicate they are optional.

IV. VERIFICATIONS AND APPLICATIONS

The correctness of the method is verified

by a tension rod which is an example in the

reference [3]. The

In such cases, the response can

be approximately evaluated by a

tension

P ~ N(29400,441)N

  material

mathematical function. By

assessing the coefficients in

the function with the sampling

points and runs, response

strength

S ~ N(1054.48,41.36) N mm2 , radius of

the rod

surface can be determined and

numerous runs can be conducted

r ~ N(3.195,0.016)mm

   theoretical

to obtain better distributions

calculation

shows the reliability of the rod is 0.999.

 

1148

 

reliability of a pressure vessel. The

shape and parameter distributions are

shown in Figure 6.

 

Bar element

P

Figure 4. FEM model

(a) Monte Carlo Simulation

the strength-stress difference, where KPa is

unit.

Themethodisthenappliedto

analyzethe

 

(b) Response Surface Simulation

Figure 5. Histogram of strength-stress difference

With ANSYS, the rod is modeled as a bar

element which is fixed in on end. The tension

is applied at the other end. The axial stress

is calculated in ANSYS. The tension force,

radius and material strength are defined as

random input variables in PDS. The output

variable is defined as the difference between

the strength and maximum stress. A value less

than 0 indicate a strength failure. One

hundred samples are collected with Monte Carlo

method. Results show that the difference

approximately follows a normal distribution

with normal 137.73N and variance 45.42N. Later

on, response surface are obtained based on the

previous samples and 10000 runs are conducted.

The normal and variance can be better obtained

as 137.65N and 44.52N, respectively. From

which it is concluded that the reliability of

the rod is 0.9988 and 0.9990 with the two

methods. This result matches well with the

theoretical calculation which demonstrates the

correctness of the method. Figure 4 shows the

FEM model, and Figure 5 is the histogram of

 

r

 

L

 

Fixed

r ~ U[1990,2010]mm

L ~ U[9990,10010]mm

Thickness~ U[7.5,8.5]mm

Pressure~ U[2800,3200]KPa

Young'sModule~ N(200,10)GPa

YieldStres ~ N(1000,50)MPa

Figure 6 Pressure Vessel

In PDS module, the random input

parameters are defined in accordance

with Figure 6. With 50 Monte Carlo

sampling points, the simulation shows

that the difference between strength

and stress can be approximately

described as a normal distribution

N (229.22,67.251)MPa . A further response

surface

simulation demonstrates that the

difference match the distribution as N

(228.86,65.823)MPa , as shown in

Figure 7. From these distributions,

the reliability of the

 

1149

pressure vessel can obtained as

0.99967 and 0.99974,

respectively.

 

(a) Monte Carlo Simulation

 

(b) Response Surface Simulation

Figure 7. Strength-stress deviation

histogram of pressure vessel

V.  CONCLUSIONS

FEM and Monte Carlo simulation method can

be integrated to obtain the mechanical

reliability of a complex structure with

multiple input random parameters. Although

this article considers only the static cases,

the method can also be applied to dynamic

cases with suitable analysis file.

The method described in this article

prevents tedious mathematical calculation. The

structure reliability can be obtained with less

time and money. This method can be a complement

of the traditional experimental methods.

REFERENCES

[1]     Reliability and Maintainability terms, GB/T

3187-94

[2]     ANSYS Help, ANSYS Corp

[3]     Liu  P.,  Basic  of  Reliability  Engineering,

Metrology                 Press,                 2002

中文翻译:

机械可靠性仿真

Jianfeng Xu, Yalian Xie, Dan Xu

上海工业自动化仪表研究所

上海,中华人民共和国

摘要:

本文提供了一种多输入随机参数模拟复杂机械系统的可靠性计算方法。

该方法基于可靠性理论,采用商业有限元软件 ANSYS。

机械系统的可靠性定量

是通过蒙特卡罗模拟。

该方法是通过理论分析验证和实际应用的结构。

该方法

避免了繁琐的数学计算和比实验方法更经济。

它可以作为传统实验方法的一种

补充。

关键词:

机械可靠性;有限元;蒙特卡罗仿真方法。

一、引言

根据国家标准 GB/T 3187-1994 [ 1 ],可靠性被定义为“在一定的条件

下在指定的一段时间内,一个产品很好地履行其预期的功能的概率”。

可靠性

一直被看作是一个产品的最重要的参数。

例如,据说在美国,可靠性将是今后

产品竞争的焦点。

大多数日本企业以更可靠的产品作为公司发展的主要目标。

因此,为了准确地预测产品的可靠性,并优化基于可靠性要求的设计是非常有

意义的。

一般的机械系统是由许多部分。

一个系统的可靠性取决于许多参数,如组

件的数量,质量的部件和这些部件组装。

这也与材料的性质,相关的制造技术,

尺寸公差等有关。

大多数现有的文献主要集中在可靠性理论推导计算,然而,

由于它的复杂性,需要繁琐的数学计算。

还有一种实验法来获得系统的可靠性

试验,需要足够的样本和测试时间,因此,实验方法只能适用于那些最重要的

系统。

本文采用机械强度可靠性为例,说明了有限元法可以应用于可靠性仿真。

该方法采用商业有限元软件,ANSYS,并利用 Monte Carlo 模拟功能集成。

一个

简单的实例分析验证了该方法的正确性。

这种验证的方法随后便应用到实际结

构,来获得多输入随机参数的一个复杂系统的可靠性定量。

二、拉压干涉理论。

通常情况下,结构的最大应力和材料强度的分布有一定的概率密度。

图 1

显示的分布的一个例子,在

f (σ )和 g( s)分别代表最大应力和材料强度的情

况下。

图 1(a)中因为

g( s)总是大于 f (σ ),结构的可靠度是 1。

然而,在

图 1(b),它是不能保证

g( s)大于 f (σ )。

图中分布着一个干扰区,如

图所示,在阴影区域和放大的图 2。

因此,结构的可靠度小于 1。

基于数学推导

的可靠性,可以按照分布做一体化计算。

R = P(σ< s) =−∞+f (σ )σ

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