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.

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。

基于全局灵敏度的高效一体式隔振超结构不确定性分析

以控制力矩陀螺等为代表的航天器执行机构能产生微扰振,后者直接影响光学荷载的成像精度和航天器关键部件的寿命,从而降低航天器的核心性能。一体式隔振超结构展现出了优异的隔振性能,但是由制造误差带来的几何不确定性会影响其隔振频带和隔振效果。该研究提出一种基于全局灵敏度的高效不确定性分析方法,能够在隔振超结构设计过程中准确地量化由制造误差带来的隔振性能偏差。首先,将高阶的稀疏点区间切比雪夫多项式展开与基于方差的Sobol’灵敏度指数相结合得到一种高效的全局灵敏度分析方法。该方法与传统蒙特卡洛灵敏度分析方法相比计算效率提高了三个数量级。其次,通过忽略全局灵敏度指数较小的区间变量,大大减少了由复杂单元组成的超结构不确定性分析的工作量。最后,进行了不确定性灵敏度分析方法的试验验证。结果表明,所提出的基于全局灵敏度的不确定性分析方法可为隔振超结构的设计与制造提供高效指导。

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。

计及随机变量相关性的孤岛微电网的全局灵敏度分析

为准确量化具有相关性的随机变量对含下垂控制孤岛微电网运行状态的影响,提出随机变量条件采样法,在计及随机变量相关性情况下,采用基于拉丁超立方采样的蒙特卡洛算法实现全局灵敏度指标计算,以提高基于方差的全局灵敏度分析精度和效率。在计及下垂控制的含不确定源的38节点微电网中设置算例,以传统蒙特卡洛仿真法提供精度参考,验证所提方法性能。算例结果表明,随机变量相关性能显著影响微电网全局灵敏度分析结果,且所提方法能在该分析中准确计及随机变量相关性的影响。证明了在微电网的全局灵敏度分析中精确计及随机变量相关性的重要性,以及通过所提方法实施全局灵敏度分析的必要性。

两种基于方差的全局灵敏度分析W指标改进算法

在全局灵敏度分析(SA)中,基于方差的灵敏度分析指标(包括Sobol指标和W指标)应用广泛。其中Sobol指标是将输入随机变量固定于特定点时,求得其对输出响应量的平均影响;而W指标求解当输入随机变量在各自分布区间上缩减变化时,输入变量对输出响应量的影响程度。相比Sobol指标,W指标所反映的信息更加全面。但目前对W指标的求解方法还比较欠缺,双层重复抽样蒙特卡罗(DLRS MC)方法和双层一次抽样蒙特卡罗(DLSS MC)方法是两种传统的求解方法。针对W指标的求解问题,提出了两种新算法:改进的蒙特卡罗模拟(AMCS)和基于稀疏网格积分(SGI)的方法。AMCS只需抽取一组样本便可计算出所有变量的各阶W指标,由于该方法是通过筛选策略来计算条件区间上的方差,避免了DLSS MC法中由于小数取整带来的计数误差,从而提高了计算W指标的精度。基于SGI的方法则利用稀疏网格积分来计算三重矩进而得到W指标,由于该方法继承了稀疏网格积分的高效性,因而进一步提高了W指标的计算效率。最后,给出了两个数值算例和一个工程算例,用于验证所提方法求解W指标的准确性和高效性。

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。

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。

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.

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改进微分进化算法

为了提高微分进化算法在问题维度较高、计算量有限的情况下的寻优能力,提出了基于全局灵敏度分析方法的改进微分进化算法。使用Morris-One-at-a-Time(MOAT)全局灵敏度方法对典型函数进行灵敏度分析,与另一种全局灵敏度分析方法 Sobol方法进行了对比,证明MOAT方法计算效率和精度较高。基于MOAT方法分别构造了考虑灵敏度信息的改进交叉算子和变异算子,从而得到2种改进微分进化算法GSADE1和GSADE2。使用5个显式50维测试函数对2种改进算法进行了测试,并与基准微分进化算法进行了对比,发现2种改进算法在收敛速度和鲁棒性方面都有所提高。

基于全局灵敏度分析的某自动装填机构轻量化设计

针对某自动装填机构轻量化设计中出现参数多、模型计算量大等问题,提出将全局灵敏度分析与代理模型技术相结合的优化策略。通过基于Morris轨迹的全局灵敏度分析从32个系统参数中确定14个关键参数,基于拉丁超立方采样技术及径向基函数神经网络技术(Radial Basis Function Neural Networks,RBFNN)建立系统响应关于关键参数的代理模型,用多岛遗传算法对系统参数进行优化求解,致机构重量下降21.8%。数值检验结果表明仅含关键参数的代理模型预测精度较高,证明该方法在多参数复杂系统结构轻量化设计中的有效性。

空气舵颤振特性的不确定性及全局灵敏度分析

针对结构参数不确定性引起颤振特性波动的现象,进行了空气舵颤振特性的不确定性及全局灵敏度分析。当进行不确定性分析时,计算效率会随着变量维数的增加而大大降低。为了解决该问题,将稀疏网格技术应用到不确定性及全局灵敏度分析中,该方法对于高维问题能够高效地进行不确定性分析及全局灵敏度分析,并通过数值算例验证了该方法。在全动舵算例中,考虑了结构的弹性约束及材料属性的不确定性,并通过调用颤振分析模型进行了空气舵颤振特性的不确定性及灵敏度分析。该工作能为工程上确定颤振边界提供定量的参考,并能够找出对颤振特性的影响最大的不确定性因素,具有较高的工程实用价值。

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。

五坐标机床误差因素全局灵敏度分析方法研究

国产五坐标机床的加工精度和加工性能是目前机床制造厂商面临的重要难题,零部件几何误差是造成机床加工误差的关键因素之一。首先,利用多体系统运动学理论对机床结构进行抽象描述,推导机床精密加工约束方程及加工误差模型。其次,将基于方差的全局灵敏度分析法引入机床误差分析中,通过蒙特卡洛采样法模拟各项几何误差取值过程,计算各输入变量的灵敏度指标。利用Matlab编写软件,以北一机床XHAV2430×80龙门加工中心的加工误差模型为例进行灵敏度分析,计算影响加工误差的各项机床几何误差源参数的灵敏度指标。最后根据计算结果,获得影响机床加工误差的关键因素。对计算结果进行验证,证明了结果的正确性,为机床加工误差溯源提供重要理论依据。

基于Sobol和EFAST法的枪弹转动角速度全局灵敏度仿真分析

为开展外弹道测试、动力学特性研究等需要,经常在枪弹外部安装各种用于飞行状态测量的装置。由于枪弹在发射及飞行中的状态受到各种随机因素的干扰,直接影响测量输出。为更好地开展试验设计及相关数据处理工作,采用姿态测量装置测量枪弹转动角速度的方案,以5自由度刚体弹道方程组为基础,采用基于蒙特卡洛打靶的Sobol全局灵敏度分析方法和傅里叶幅值灵敏度检验扩展法(EFAST),就姿态测量的输出对初速跳动、起始扰动等因素的敏感程度开展定量研究。定量分析结果表明:(1)初速和初始攻角对姿态测量装置沿弹体径向的输出影响较大,初速对姿态测量装置轴向输出的影响较大;(2)Sobol法和EFAST法均可定量分析参数对输出变量的贡献率,但EFAST法的计算更为稳健、高效。

基于扩展仿射模型的不确定性静态电压稳定性全局灵敏度分析

波动性可再生能源大规模并网成为电力系统新的重要不确定性因素,准确评估这种不确定性对电力系统静态电压稳定性的影响,有利于提高系统运行安全水平。计及可再生能源和负荷功率的不确定性,该文根据扩展仿射算术建立了基于L指标的静态电压稳定性区间评估模型,利用解析化方差分解的全局灵敏度指标辨识输入变量对静态电压稳定性影响的重要程度。多个IEEE算例的仿真结果表明,该文所提方法相比常用仿射算术能更有效地抑制区间扩张效应,同时基于解析化方差分解的全局灵敏度分析方法能快速、高效地辨识出影响静态电压稳定性的关键因素。

振动传递路径系统的参数和全局灵敏度分析

提出了振动传递路径系统响应对系统参数和传递路径的全局灵敏度分析的数值方法。考虑结构参数的随机性,获取各传递路径受体输出响应的随机统计特征,以及路径中系统参数对受体振动响应的定量影响关系。基于文中数值方法,可以定量表述影响振动传递路径系统中受体振动特性大小的路径重要度排序以及系统参数的灵敏度排序。以典型多自由度振动路径分析模型为例,讨论了随机振动系统传递路径重要度分析过程,通过与Monte-Carlo随机模拟结果相对比,验证了本方法的正确性与可行性。

环形感应电极对静电传感器灵敏度的影响分析

为提高静电互相关流速测量传感器的灵敏度,研究了环形感应电极对传感器灵敏度的影响。通过COMSOL仿真软件建立传感器模型进行仿真,得到电极的宽度对静电传感器灵敏度分布特性的影响,基于仿真结果搭建自由落体实验台确定电极最佳宽度。仿真结果表明:电极宽度增加,传感器的轴向灵敏度与径向灵敏度也会增加,但整体均匀性会变差。环形感应电极的轴向长度对传感器径向灵敏度分布有显著影响,对轴向灵敏度分布无显著影响。自由落体实验表明电极宽度为9 mm时,传感器测量效果最好。