随着科学技术的进步,结构设计和分析正面临着诸多技术转变:由静态设计向动态设计转变,由校核计算向优化设计转变,由传统的安全系数法向可靠性设计转变。同时,由于计算机技术的发展和应用,促进了这些转变的迅速发展。下面思科德技术将向大家一一介绍这三种结构设计。作为广州佩特电子科技有限公司的技术中心,思科德技术在软件研发和产品设计方面的经验丰富,欢迎来电咨询,电话:毛先生15602221752。
一、结构动态设计
结构动态设计顾名思义,就是结构设计按照结构动力学的要求开展。传统设计中,将变化频率低于固有频率30%-50% 的称为缓变载荷,并依据经验系数转化为静载荷进行设计;将高于固有频率30%-50% 的称为速变载荷,并根据实测的的动力响应数据转化为振动环境条件进行设计。并且设计时以保证静强度设计为主,设计完成后才对振动环境等力学稳定性问题进行校核或者试验考核。这也是传统设计不得不采用相对保守的设计裕度的原因之一。
随着产品工作过程中所承受的动载荷和动力学环境也越来越恶劣,这使得传统设计经验系数变得越来越不准确,同时轻量化要求造成结构刚度和固有频率迅速下降,动载荷作用下的结构共振危险性也大幅提高。传统的设计方法已无法保证结构满足动力学试验考核,造成设计的往复迭代。因而,进行动态设计已刻不容缓。
目前动态设计技术的趋势是将结构动力学和试验振动分析技术、理论振动分析技术、数值仿真技术等组合在一起,形成闭环设计。
二、结构优化设计
传统设计方法中,结构设计的结果要通过强度校核来进行检验,然后再将校验结果反馈回设计进行修改或改进,一个设计周期下来,往往要进行数次的循环往复,才能寻找到满足设计要求的结构设计,消耗了大量的精力。而且由于分析的滞后性,导致设计结果并不是满足要求的最理想、最优的解,也迟滞了最优方案的产生。
借助现代设计工具,在设计初期就将结构力学特性与几何特性、工艺方法等组成设计的约束条件,通过设计变量的选取,使得依据设计人员最关心的量所做的目标函数获得最优解,从而产生最优结构设计。下图1为目前较为普遍的优化设计流程。
图1 结构优化设计流程
众所周知,设计者往往不满足于某一项性能最优,而是希望多项最优,借助于计算能力的大幅提高,这一希望已逐步实现,基于多目标函数的结构优化设计正成为结构优化设计的新方向。
三、结构可靠性设计
何谓可靠性,就是结构设计达到设计指标,能够保证结构有效稳定的工作,而不发生破坏。重新提出可靠性结构设计,并不是说明传统设计不考虑可靠性,相反传统设计由于忽略了影响结构可靠性因素的随机性,而是选取较为保守的极值与较大的安全系数作为设计依据,使得结构可靠性过高,反而影响了结构性能的发挥,与现今高效率承载结构的设计思想相违背,也造成了物力上的浪费。
所以基于概率论和数理统计的新结构可靠性设计方法正越来越受到设计人员的欢迎。这种方法认为载荷、材料性能、结构尺寸服从一定分布规律,依据此规律计算出结构的可靠度与设计要求的可靠度进行比较,从而定量地表达结构的可靠性指标是否满足设计要求。在这一过程中,随机变量的分布规律主要依靠大量的试验进行积累统计,这也是结构可靠性设计发展的瓶颈所在。
目前,主要的结构可靠性设计方法主要有概率设计法和可靠性安全系数法。其主要的设计流程如下图2所示。
图2 结构可靠性设计流程
随着结构精细化设计的不断深入,以上三种方法必将被每一位结构设计人员所认识和掌握。其中,结构可靠性设计方法是提高产品可靠性水平和市场竞争力的关键,更应该熟悉掌握。
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