本發(fā)明涉及一種基于方差敏感度排序的三段圓弧基元波紋管分析方法，屬于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別適用于高壓條件下柔性連接管件的構(gòu)型設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化。
背景技術(shù)：
：多層薄壁波紋管作為柔性連接件廣泛應(yīng)用于航空航天、熱能、化工等行業(yè)，較為常見(jiàn)的U形、C形、S形以及Ω形波紋管。相對(duì)而言，三段圓弧基元相切式波紋管結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是其耐高壓能力、變形補(bǔ)償能力、疲勞壽命以及可靠性等綜合性能大幅提高。三段圓弧基元相切式波紋管與S形波紋管結(jié)構(gòu)較為接近，中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN2262153U，公開(kāi)日1997年9月10日，名為“S型金屬多層波紋管彈性、撓性元件”；中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)ZL201220672919.1，名為“增強(qiáng)型多層S型金屬波紋管”，公開(kāi)日2013年8月7日；以及俄羅斯專利公開(kāi)號(hào)RU2157415C1，公開(kāi)日2000年10月10日，名為“一種加工不銹鋼多層波薄壁波紋管的方法”，均為針對(duì)多層薄壁(S型)波紋管的制造和加工的方法。但是不足之處在于：未在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格定義波紋管的特征幾何構(gòu)型，勢(shì)必限制了該型波紋管在不同應(yīng)用環(huán)境的再設(shè)計(jì)和應(yīng)用，此外，對(duì)于該波紋管波形參數(shù)的影響程度了解不清楚，在設(shè)計(jì)時(shí)容易觸碰參數(shù)邊界紅線，導(dǎo)致構(gòu)型設(shè)計(jì)失敗。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于方差敏感度排序的三段圓弧基元波紋管分析方法，該方法基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論和參數(shù)化有限元定制平臺(tái)技術(shù)，使三段圓弧基元波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析過(guò)程系統(tǒng)化、參數(shù)化和流程化，從而克服了人為參與工作量大、易出錯(cuò)的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：本發(fā)明所提供的基于方差敏感度排序的三段圓弧基元波紋管分析方法，所述波紋管特征形面為三段圓弧相切式結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于：包括下列步驟：1)將三段圓弧基元相切式波紋管的設(shè)計(jì)參數(shù)解耦，確定出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間互不相關(guān)；2)在各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍內(nèi)設(shè)計(jì)大樣本正交試驗(yàn)表，確保各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的秩相關(guān)系數(shù)為零；3)將正交試驗(yàn)表導(dǎo)入?yún)?shù)化仿真控制平臺(tái)，進(jìn)行大樣本計(jì)算，具體步驟如下：3.1)仿真組織模塊提取正交試驗(yàn)表中的樣本并更新參數(shù)化建模模塊中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，3.2)根據(jù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值劃分有限元網(wǎng)格，設(shè)置載荷和約束條件，定義合理載荷分析步，求解得到的不同樣本所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)；3.3)針對(duì)所有樣本所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，得到可表征所有響應(yīng)的一個(gè)綜合響應(yīng)指標(biāo)。3.4)針對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的方差分析，獲得各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)的敏感度關(guān)系。上述步驟(1)中設(shè)計(jì)參數(shù)解耦后簡(jiǎn)化為6個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)：波紋半徑、波高、波距、單層壁厚、波數(shù)和層數(shù)。上述步驟2)中設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表，通過(guò)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性分析判別各設(shè)計(jì)參數(shù)的秩相關(guān)系數(shù)是否為零。通過(guò)判斷設(shè)計(jì)參數(shù)之間的秩相關(guān)系數(shù)是最有效的方法，統(tǒng)計(jì)學(xué)里通常的做法就是分析秩相關(guān)系數(shù)。設(shè)計(jì)參數(shù)之間秩相關(guān)系數(shù)為0，最大程度上滿足正交試驗(yàn)樣本之間“均勻分散，齊整可比”，的特點(diǎn)。上述步驟2)與步驟3)之間，還包括對(duì)步驟2)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)表樣本進(jìn)行整體建模驗(yàn)證，排除結(jié)構(gòu)不可行子樣本的步驟。上述步驟3.1-3.2)是利用參數(shù)化仿真控制平臺(tái)中的參數(shù)化有限元分析程序?qū)崿F(xiàn)，所述參數(shù)化有限元分析程序基于APDL語(yǔ)音編寫，通過(guò)腳本文件控制分析流程?；趨?shù)化仿真控制平臺(tái)技術(shù)，將有限元分析過(guò)程程序化，可分步驟自動(dòng)讀入正交樣本中的設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)更新模型并程序化地完成有限元分析，并提取、儲(chǔ)存結(jié)果，極大的提高了計(jì)算效率，避免了通過(guò)手動(dòng)進(jìn)行大量重復(fù)的有限元分析工作。上述步驟(2)中提取的應(yīng)力響應(yīng)包括VonMises應(yīng)力極值和周向膜應(yīng)力均值，位移響應(yīng)包括徑向位移極值和總位移極值。上述述步驟3.3)具體為：將應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)至于同一個(gè)表格中，進(jìn)行相關(guān)性分析，獲取響應(yīng)之間的秩相關(guān)系數(shù)；并將響應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)行主成分分析，根據(jù)得到的主成分貢獻(xiàn)率關(guān)系選擇一個(gè)綜合響應(yīng)指標(biāo)。上述步驟(3.4)包括：基于得到的綜合指標(biāo)和正交試驗(yàn)表，進(jìn)行方差分析，識(shí)別出對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)影響可忽略的設(shè)計(jì)指標(biāo)。上述步驟(3.4)還包括：基于得到的綜合指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)正交表，進(jìn)行方差分析，定量獲取各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)的敏感度排序關(guān)系。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：(1)基于參數(shù)化的有限元分析程序語(yǔ)言，使建模、網(wǎng)格處理、加載和后處理等有限元分析步驟參數(shù)化、流程化，因此大大的提高了計(jì)算效率，且具有較好的通用性和重復(fù)性；(2)搭建了自動(dòng)化的優(yōu)化平臺(tái)，嵌入?yún)?shù)化有限元分析程序后，可以自動(dòng)完成大樣本的分析計(jì)算，大大的提高了計(jì)算效率，降低了人力成本；(3)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取樣本分布(正交表)，避免了樣本選擇與組合過(guò)程的盲目性和隨機(jī)性，保證樣本之間的零相關(guān)性；(4)采用相關(guān)性分析、主成分分析和方差分析等方法評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感度信息，在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格保證了分析結(jié)果的有效性和和準(zhǔn)確性。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明參數(shù)化分析流程示意圖。圖2是本發(fā)明參數(shù)化仿真控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明三段圓弧基元相切式波形結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明多層三段圓弧基元相切式波紋管結(jié)構(gòu)示意圖。其中附圖標(biāo)記為：1-波谷圓弧段，2-中間過(guò)渡圓弧段，3-波峰圓弧段，4-端部連接段。具體實(shí)施方式如圖2所示，本發(fā)明的參數(shù)化仿真控制平臺(tái)包括仿真組織模塊、仿真計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，仿真計(jì)算模塊包括參數(shù)化建模模塊、網(wǎng)格處理模塊、加載模塊及求解模塊；數(shù)據(jù)處理模塊包括相關(guān)性分析模塊、主成分分析模塊、方差分析模塊，仿真組織模塊用于提取正交試驗(yàn)表中的樣本并更新參數(shù)化建模模塊中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，網(wǎng)格處理模塊用于根據(jù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值劃分有限元網(wǎng)格，加載模塊及求解模塊用于設(shè)置載荷和約束條件，定義合理載荷分析步并求解。相關(guān)性分析模塊及主成分分析模塊針對(duì)所有樣本所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力響應(yīng)和位移響應(yīng)，進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，得到可表征所有響應(yīng)的一個(gè)綜合響應(yīng)指標(biāo)。仿真組織模塊針對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的方差分析，獲得各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)的敏感度關(guān)系。如圖3所示，本發(fā)明采用的三段圓弧基元相切式波形結(jié)構(gòu)由波谷圓弧段1、中間過(guò)渡圓弧段2和波峰圓弧段3相切連接而成；如圖4所示，由多個(gè)單層薄壁波紋管緊密貼合形成多層波紋管結(jié)構(gòu)，其端部焊接有連接段4。實(shí)施例1(1)選擇三段圓弧基元相切式波紋管獨(dú)立的結(jié)構(gòu)參數(shù)分布范圍為：波峰(波谷)半徑rn/rw9～10mm，波高W43～48mm，波距q38～42mm，單層厚度t0.475～0.535mm，波紋管波數(shù)n3～10層，波紋管層數(shù)c3～10層；(2)步驟(1)中有6個(gè)獨(dú)立的幾何參數(shù)，各參數(shù)在其基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上按偏移±5％取值，每個(gè)參數(shù)可取均勻分布的8個(gè)值；形成結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交表L64(814)，表示每個(gè)影響因子有8種分布水平，樣本容量為64；rn/rwwqtnc19.1544.0038.600.4853429.9046.8038.000.505104……………………………………641043.0040.400.49085(3)對(duì)正交表進(jìn)行相關(guān)性分析，得到設(shè)計(jì)變量之間的秩相關(guān)系數(shù)為零；輸入樣本之間的秩相關(guān)系數(shù)(4)將正交表導(dǎo)入?yún)?shù)化仿真平臺(tái)，排除并替換不可行子樣本；(5)將正交表導(dǎo)入?yún)?shù)化控制平臺(tái)進(jìn)行分析，提取vonmises應(yīng)力極值、周向膜應(yīng)力均值、徑向位移極值、總位移極值；(6)通過(guò)相關(guān)性分析和主成分分析獲得綜合響應(yīng)指標(biāo)；主成分分析表(7)通過(guò)方差分析識(shí)別出對(duì)綜合響應(yīng)指標(biāo)影響可忽略的設(shè)計(jì)參數(shù)，定量獲取各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)綜合指標(biāo)的敏感度排序關(guān)系。方差分析表從方差分析結(jié)果可知，對(duì)于顯著水平a＝0.05，各設(shè)計(jì)參數(shù)的拒絕域F0.95(7,21)＝2.49，比較上表可知，在內(nèi)壓載荷下，設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合影響敏感度排序關(guān)系為層數(shù)＞波高＞單層壁厚＞波數(shù)＞波紋半徑＞波距。其層數(shù)的影響最為顯著，在給定的設(shè)計(jì)參數(shù)分布范圍內(nèi)，波峰半徑和波距的影響可忽略。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3