考虑热误差的电主轴建模与可靠性全局灵敏度分析

以数控机床电主轴为研究对象,旨在分析其轴向热伸长量对电主轴可靠性的影响.采用Svenska Kullager-Fabriken(SKF)摩擦力矩模型对轴承生热量进行分析,设定对流换热系数为边界散热条件,建立了热分析有限元耦合模型,求解电主轴的温度以及轴向热伸长分布.将有限元模型与实验结果进行对比,验证了建立的有限元模型的准确性.考虑随机因素的影响,建立电主轴热变形可靠性分析模型,并采用Kriging模型进行可靠性求解.对电主轴热误差可靠性全局灵敏度进行分析,结果表明,转速和冷却水流量对可靠度影响较大,轴向力和径向力对可靠度影响较小.

空间分割全局灵敏度方法研究及其在风机叶片极限载荷工况中的应用

全局灵敏度分析,旨在考量结构系统中各输入随机变量对输出响应不确定性及风险水平影响的重要度。它能为后续的可靠度评估、故障诊断、系统设计、预测及优化等提供重要参考。尽管各类全局灵敏度分析方法不断涌现,但高维复杂结构(如风机叶片结构)灵敏度分析仍是目前的难题。该文针对空间分割全局灵敏度分析方法的三种可能计算形式及最优分割方案展开研究,通过标准算例分析和误差理论推导,提出能充分利用样本信息、有效减轻计算负担的求解形式及分割方案,并将其应用于风机叶片极限载荷工况下的全局灵敏度分析中,同时为未来设计更为高效、经济和可靠的风机结构提供参考。

基于Sobol'法的动车组车体弹性异常振动全局灵敏度分析与优化

为治理动车组车体弹性异常振动问题,首先,结合车辆系统工作变形测试分析、车体模态测试分析和车辆刚柔耦合动力学模型仿真分析探究车体异常振动成因;随后,以转向架蛇行最小阻尼比为目标函数,基于Sobol'全局灵敏度分析方法分析关键参数全局灵敏度,依据各参数总灵敏和一阶主灵敏度筛选影响转向架蛇行稳定性的重要参数,并基于车辆系统刚柔耦合动力学模型对筛选出的参数进行优化;最后,对优化前后车体的弹性振动进行对比验证。研究结果表明:转向架的蛇行频率接近车体菱形模态频率的同时,转向架的蛇行模态阻尼比也减小到接近于零,蛇行稳定性裕量明显不足,从而引起转向架的蛇行与车体菱形同步运动,导致车体菱形模态振动放大,发生车体的弹性异常振动现象;参数优化后,车体的菱形模态振动能量明显降低,有效抑制了车体弹性异常振动;Sobol'法可有效评估参数灵敏度,提高优化效率,可为车辆设计和参数优化等问题提供参考。

基于失效概率的涡轮后机匣全局灵敏度分析

涡轮后机匣作为航空发动机安全的关键部件,具有工况复杂、不确定性因素多的缺点。为了探究输入随机变量的不确定性对涡轮后机匣结构失效概率的影响,建立参数化有限元模型进行确定性分析。考虑材料性能、几何参数及外部载荷的不确定性,对涡轮后机匣两种典型失效模式建立极限状态函数;通过构造自适应Kriging代理模型并结合重要抽样方法评估涡轮后机匣结构失效概率,利用基于失效概率的全局灵敏度方法对涡轮后机匣结构可靠度的不确定性来源进行分析,对各输入随机变量重要性进行排序,构建一种涡轮后机匣全局灵敏度分析框架。结果表明:涡轮后机匣在两种失效模式以及系统失效模式下,发动机推力以及线性膨胀系数对结构失效概率影响最为显著,应对其重点考虑;内外机匣长度以及材料弹性模量对涡轮后机匣结构失效概率影响较小,可对其适当忽略。

盾构施工土体参数全局灵敏度分析

为准确研究地铁盾构施工引发地面沉降土体参数灵敏度,考虑地下水影响,以比奥固结理论为基础,考虑土体参数随有效应力的动态变化关系,建立地铁盾构施工引发地面沉降三维流固全耦合模型,以某地铁盾构隧道区间段为例,通过对比实测地面沉降量和计算沉降量验证模型的可靠性,在本次数值模拟计算的参数灵敏度分析中,采用生态模型中全局灵敏度分析法的Morris法。结果表明:地铁盾构施工引发的土体变形对变形模量、内摩擦角和重度最敏感,变形模量、内摩擦角和重度3个参数的灵敏度线性效应明显。

基于全局灵敏度分析的电气互联系统韧性提升方法

为实现电气互联系统韧性的量化提升,文中提出了一种基于全局灵敏度分析的韧性提升方法。首先,通过推导得到基于影响增量的全局灵敏度,可以定量分析元件失效概率参数同时变化对韧性指标的共同影响。然后,全局灵敏度被引入预算限制场景和韧性达标约束场景下的元件强化方案优化模型中,以设计经济、有效的韧性提升方案。最后,以一次地震灾害场景下的电气互联系统为算例,验证了所提方法的有效性。

燃料电池模型多尺度参数双代价函数的全局灵敏度分析

质子交换膜燃料电池半经验模型存在较多未知经验参数,且其尺度和取值范围均相差较大,在全局灵敏度分析中局部高灵敏度信息易丢失,从而导致结果存在偏差。为此,构造了互为倒数的双代价函数。在原代价函数基础上计算全域内经验参数与响应误差的相关性,利用Sobol方法均匀采样进行首次全局灵敏度分析,筛选整个取值范围内高灵敏度(即影响收敛速度)参数;进而利用倒数代价函数放大局部区域的误差相关性,对于剩余全域不敏感参数,进行倒数代价函数的再次全局灵敏度分析,筛选出局部取值范围内高灵敏度(即影响收敛精度)参数。从而提高了多尺度多局域高灵敏参数识别能力。分析结果证明了所得高灵敏度参数辨识后模型的响应误差与全参数辨识的结果一致,可节省约60%的计算成本。该方法的适用性和准确性在电堆实验中均得到了有效验证。

基于全局灵敏度分析的卧式加工中心关键几何误差元素溯源研究

针对局部灵敏度分析试验点单一、全局灵敏度分析变量自带随机性的问题,提出一种基于几何误差元素辨识和全局灵敏度分析的机床关键几何误差元素溯源方法。借助螺旋理论构建基于全局坐标系的机床空间误差模型,借鉴正交实验设计思想,在机床工作空间内选取25个试验测点,设计关于位置误差模型的多因素正交试验。将正交试验的显著性检验结果F值作为全局灵敏度系数,准确溯源机床12项关键几何误差元素,为数字制造装备精度设计提供了重要的理论基础。

动态模型全局灵敏度分析及其在汽车前桥结构中的应用

汽车结构中不可避免地存在各种不确定性,严重影响汽车的安全使用,灵敏度分析可以明晰不确定性的影响关系,为提高汽车安全性提供有效指导。针对动态模型,在引入模型变化不确定性的基础上,提出动态模型基于方差的全局灵敏度分析,并对方差贡献及灵敏度指标的涵义进行了详细论述,其与Sobol理论保持着较好的一致性,且计算上仅增加了一维反映模型变化不确定性的变量。利用动态模型基于方差的全局灵敏度分析对汽车前桥强度问题进行了分析。

电动车动力总成悬置系统的全局灵敏度分析

针对电动汽车动力总成悬置系统(Powertrain Mounting System,PMS)参数同时存在不确定性和相关性的情形,开展考虑不确定参数相关性的电动汽车PMS固有特性的全局灵敏度分析研究.采用含相关性的概率变量描述系统的不确定参数,基于方差分解推导考虑概率变量相关性的一阶和总体全局灵敏度公式;基于蒙特卡洛法(Monte Carlo Method,MCM)提出一种求解全局灵敏度指数的方法;推导当概率变量服从正态分布时的全局灵敏度公式,给出采用MCM计算全局灵敏度指数所需样本集的构造方法;以某电动汽车PMS算例验证方法的有效性.分析结果表明,相关性会影响系统固有频率和解耦率响应对不确定参数的敏感性,考虑不确定参数的相关性可获得更加合理的灵敏度分析结果.

城市降雨径流模型参数全局灵敏度分析

采用逐步回归法分析典型城市降雨径流管理模型(SWMM)水文参数的全局灵敏度,为模型参数的有效识别提供参考.结果表明,汇水区面积对总产流起决定性作用.在雨强较小(10.5mm)的情况下,透水区参数灵敏度很小,可在参数识别中设为经验值;在较强降雨(52.5mm)情况下,管道曼宁系数是决定峰值流量与峰值发生时间的关键参数.减小汇水区面积的不确定性可提高其他参数的灵敏度,有利于参数的有效识别.

SWMM模型径流参数全局灵敏度分析

选取基于Horton和Green-Ampt入渗模型的入渗参数,以及区域坡度、区域宽度、透水性区域的曼宁系数和可积水深度共7个SWMM模型参数,采用Morris方法进行全局灵敏度分析。并分别采用不同降水类型、不同重现期的单个降水事件及长期降水序列,分析各模型参数对总产流量、洪峰流量及径流系数3个输出变量的全局灵敏度。结果表明:T1和T2型降水的参数灵敏度分析结果呈现较大差异,T2型较小降水事件不适宜用于参数校核;对Horton入渗模型而言,可利用T1型较大降水事件的洪峰流量对区域形状系数进行校核,利用T2型较大降水事件的总产流量对最小入渗速率、消减系数K进行校核;对Green-Ampt入渗模型而言,可利用T1型较小降水事件的洪峰流量对区域宽度和坡度进行校核及总产流量对透水性区域的曼宁系数进行校核,利用T2型较大降水事件的洪峰流量对最小入渗速率和缺水率进行校核;对径流系数而言,采用Horton和Green-Ampt入渗模型的结果一致,最大入渗速率和最小入渗速率是最灵敏的两个参数,透水性表面的可积水深度和曼宁系数为最不灵敏的两个参数。

随机悬挂参数下轨道车辆平稳性的全局灵敏度分析

考虑悬挂阻尼器两端橡胶节点的刚度,建立基于广义Ruzicka隔振系统的轨道车辆垂向多刚体系统模型。基于虚拟激励法求解车辆垂向随机振动响应及Sperling平稳性指标,并建立悬挂参数与Sperling指标之间的关系。采用Latin超立方抽样法模拟随机悬挂参数作用下的Sperling指标样本,利用全局灵敏度分析法探讨阻尼器节点刚度比对Sperling指标关于随机悬挂参数的一阶灵敏度和总灵敏度的影响。结果表明:当参数变异系数相同时,多个悬挂参数变异引起的平稳性指标不确定性比单一悬挂参数大;平稳性指标不确定性主要来源于二系悬挂刚度和阻尼的变异,且随机悬挂参数间存在着一定的耦合作用;阻尼器节点刚度比的变化对随机悬挂参数灵敏度的影响比较明显。

基于Sobol’法的车身噪声传递函数全局灵敏度分析

针对局部灵敏度分析方法不能考虑参数的概率分布、不能适用参数大范围变化及分析各参数之间交互作用等局限,将Sobol’全局灵敏度分析法引入到汽车噪声传递函数的灵敏度分析中。Sobol’法将函数f(x)分解成2n项递增项之和,通过采样计算模型响应的总方差及各偏方差,以求得灵敏度,从而有效避免了局部灵敏度分析方法的缺陷。以某型轿车为例,在建立声固耦合有限元模型的基础上,计算出从悬置点到驾驶员右耳处的车身噪声传递函数,并运用Sobol’法分析出相关板件厚度的一阶全局灵敏度及总体全局灵敏度值,从而甄别出对驾驶员耳旁声压单独影响较大或交互作用显著的板件,为车身噪声传递函数的优化工作提供指导。应用实例验证了该方法的有效性。

高超声速舵面热气动弹性不确定性及全局灵敏度分析

鉴于高超声速中气动热预测的不确定性影响热气动弹性分析的可靠性,提出一种温度分布参数化模型,基于此模型,对高超声速舵面热气动弹性中气动热的不确定性及全局灵敏度进行分析,分析方法:求解N-S方程得到物面的温度分布,对此温度分布进行参数化,分别采用蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation,MCS)方法和稀疏网格数值积分(spare grid numerical integration,SGNI)方法生成不确定性及全局灵敏度分析所需样本,对所有样本都进行热气动弹性分析,热气动弹性分析过程为:由样本得到温度分布,基于此温度分布,考虑热应力和材料属性的影响,对结构进行模态分析,将结构模态插值到气动网格,采用基于CFD的当地流活塞理论进行了气动弹性分析.分别在两种飞行状态下进行分析,计算结果表明:(1)M=5,H=15 km,结构固有频率和颤振分析结果的变异系数约为5.83%;(2)M=6,H=15 km,结构和颤振分析结果的变异系数约为8.84%.两种状态下,两个不确定参数的全局灵敏度都在50%左右,两者耦合作用很小,约为0.与MCS方法相比,SGNI方法显著的提高了不确定性分析效率.

改进的RSA方法在参数全局灵敏度分析中的应用

灵敏度分析是模型参数识别的重要方法.参照一维情形,采用统计分布特征值,对传统意义上的参数灵敏度分析进行了扩展,将参数灵敏度定义从一维扩展到多维,为在多维情形下分析参数的灵敏度提供思路.RSA方法是全局灵敏度分析的重要方法,但其对参数的二元划分具有一定的局限性,因此对其进行一定的改进:①将RSA方法对参数集的二元划分扩展为多元划分.②分析对象不局限于对模型参数值的分布,也包括模型目标函数的分布,即研究在函数各取值区间,参数的分布是否具有明显的变化;研究在参数各取值区间,函数的响应是否具有明显的变化.以n=2的Rosenbrock函数作测试函数,对改进的RSA方法进行了检验.以模型参数为基础的分析结果和以模型目标函数为基础的分析结果均表明,模型的2个参数的全局灵敏度都非常高,二者的分析结论一致.

基于全局灵敏度分析的浒苔生长影响参数研究

近年来,以浒苔为主的绿潮灾害频发。构建了浒苔生长模型,以定量分析浒苔生长过程,探索浒苔爆发机理。参数不确定性是模型不确定性的主要来源,以参数灵敏度分析为基础的参数优化有利于提高模型精度,采用Morris方法对模型涉及的主要参数进行了全局灵敏度分析,以研究浒苔生长的主要影响参数。不同于其他有关大型绿藻的模型模拟,模型同时考虑了幼体浒苔和成熟浒苔的生物量变化,并修正了营养盐限制函数以及温度计算函数。全局性的参数灵敏度分析结果表明,最适温度(T_(opt))、光合作用最适光强(Is)、最大发芽率(G_(max))、浒苔生长所需的氮含量的半饱和系数(kqn)、最大氮摄取率(V_(maxn))这5个参数在浒苔生长模型中具有较大灵敏性。其中,T_(opt)影响最大,Is和V_(maxn)其次,说明浒苔生长主要受温度光照和氮含量限制。相较于局部灵敏度分析仅关注单个参数变化、依赖于初值选取等缺陷,全局灵敏度分析同时从各个参数的取值范围上分析参数对模型结果的影响,能揭示参数之间相互作用的影响。此外,灵敏度较大的参数往往和其他参数之间存在较大相关性。

基于稀疏多项式混沌展开的孤岛微电网全局灵敏度分析

随着可再生能源的渗透率和电动汽车的接入比例不断提高,微电网运行的不确定性因素显著增加,准确评估不确定性因素对微电网状态的影响,有利于提高系统的安全稳定运行水平。计及孤岛微电网中的源荷不确定性,构建了孤岛微电网的概率潮流模型,引入了全局灵敏度分析指标,提出了基于稀疏多项式混沌展开的孤岛微电网全局灵敏度分析方法,用于准确、快速地辨识影响系统运行状态的关键输入随机变量。通过对含分布式电源的40节点孤岛微电网系统进行仿真,验证了所提方法的准确性和高效性,分析了源荷不确定性对微电网潮流的影响,获得了输入随机变量的重要性排序结果。

基于全局灵敏度分析的大坝温度场影响因子探讨

运行期大坝温度场与渗流场耦合数学模型包含诸多参数,采用灵敏度分析方法能确定大坝温度场的主要影响因子,从而减小模型校正的工作量,为相关研究提供借鉴。基于大坝热-流耦合稳态模型,对大坝温度场分别做了局部灵敏度分析和全局灵敏度分析。分析结果表明,大坝温度场对上游水库库底温度和下游坝面温度较灵敏,其余参数的灵敏度顺序依次为水力梯度、渗透率、岩石热导系数、孔隙率和介质比热。实例分析结果也证实全局灵敏度分析能用来定量研究参数间共同作用对数值模型的影响。

地下水流数值模拟参数全局灵敏度分析

地下水数值模拟在与地下水相关的多个领域得到广泛应用,参数灵敏度分析能有效提高模拟结果的精度。最初的局部灵敏度分析方法只考虑了单个参数的影响,忽略了参数的共同作用;后期发展起来的全局灵敏度分析方法虽综合考虑了参数的共同作用,但在多参数、多水平条件下,抽样次数过多,对于数值模型来说可操作性差。将均匀设计法引入到黑龙江省林甸县地下水流数值模型的参数灵敏度分析中,选取模型中的7个参数进行研究,每个参数选取16个水平值,仅以16次抽样即达到了参数灵敏度分析的目的。