一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，其特点在于：系统地定义了多层三段圆弧基相切式波纹管的几何特征，实现了波纹管几何参数的解耦；基于参数化语言建立了多层三段圆弧基相切式波纹管的非线性有限元分析程序，可通过任意修改模型参数可快速实现建模、网格处理、加载以及后处理等有限元计算步骤；搭建了参数化仿真控制平台，集合了正交试验设计模块、参数化有限元仿真模块和敏感度分析模块，可以实现大样本、多目标的优化计算，能快速系统地获得各设计参数的敏感度指标。本发明专利技术有效地提高了结构参数优化和敏感度分析的系统性和可靠性，且基于平台控制技术和参数化仿真技术，大大节省了人力成本，提高了计算效率。

A new method for analyzing the three section circular arc element based on the sensitivity of variance

The invention relates to a tube analysis method of sensitivity order variance three arc element based on corrugated, which is characterized in that: the system definition of multilayer geometric features three arc tangent corrugated tube base, realize decoupling of geometry parameters of corrugated pipe; parametric language to establish a multilayer three arc tangent corrugated medium the nonlinear finite element analysis program based on the arbitrary modification of model parameters can realize fast modeling, mesh processing, loading and postprocessing of finite element calculation steps; build a parameterized simulation control platform, a set of orthogonal experiment design module, parametric finite element simulation module and sensitivity analysis module, optimization calculation the large sample, multi objective, sensitive index can obtain the design parameters of the system quickly. The invention can effectively improve the system performance and sensitivity analysis of the structural parameter optimization and sensitivity analysis, and greatly reduce the labor cost and improve the calculation efficiency based on the platform control technology and the parametric simulation technology.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，属于液体火箭发动机总体结构设计领域，特别适用于高压条件下柔性连接管件的构型设计分析和优化。
技术介绍
多层薄壁波纹管作为柔性连接件广泛应用于航空航天、热能、化工等行业，较为常见的U形、C形、S形以及Ω形波纹管。相对而言，三段圆弧基元相切式波纹管结构相对复杂，但是其耐高压能力、变形补偿能力、疲劳寿命以及可靠性等综合性能大幅提高。三段圆弧基元相切式波纹管与S形波纹管结构较为接近，中国专利公开号CN2262153U，公开日1997年9月10日，名为“S型金属多层波纹管弹性、挠性元件”；中国专利公开号ZL201220672919.1，名为“增强型多层S型金属波纹管”，公开日2013年8月7日；以及俄罗斯专利公开号RU2157415C1，公开日2000年10月10日，名为“一种加工不锈钢多层波薄壁波纹管的方法”，均为针对多层薄壁(S型)波纹管的制造和加工的方法。但是不足之处在于：未在数学上严格定义波纹管的特征几何构型，势必限制了该型波纹管在不同应用环境的再设计和应用，此外，对于该波纹管波形参数的影响程度了解不清楚，在设计时容易触碰参数边界红线，导致构型设计失败。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，该方法基于正交试验设计理论和参数化有限元定制平台技术，使三段圆弧基元波纹管的结构参数敏感度分析过程系统化、参数化和流程化，从而克服了人为参与工作量大、易出错的问题。本专利技术的技术解决方案是：本专利技术所提供的基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，所述波纹管特征形面为三段圆弧相切式结构，其特殊之处在于：包括下列步骤：1)将三段圆弧基元相切式波纹管的设计参数解耦，确定出关键结构参数，各关键结构参数之间互不相关；2)在各关键结构参数的取值范围内设计大样本正交试验表，确保各关键结构参数之间的秩相关系数为零；3)将正交试验表导入参数化仿真控制平台，进行大样本计算，具体步骤如下：3.1)仿真组织模块提取正交试验表中的样本并更新参数化建模模块中的关键结构参数，3.2)根据关键结构参数的取值划分有限元网格，设置载荷和约束条件，定义合理载荷分析步，求解得到的不同样本所对应的应力响应和位移响应；3.3)针对所有样本所对应的应力响应和位移响应，进行相关性分析和主成分分析，得到可表征所有响应的一个综合响应指标。3.4)针对综合响应指标进行各关键结构参数的方差分析，获得各关键结构参数对综合响应指标的敏感度关系。上述步骤(1)中设计参数解耦后简化为6个关键结构参数：波纹半径、波高、波距、单层壁厚、波数和层数。上述步骤2)中设计的正交试验表，通过关键结构参数之间的相关性分析判别各设计参数的秩相关系数是否为零。通过判断设计参数之间的秩相关系数是最有效的方法，统计学里通常的做法就是分析秩相关系数。设计参数之间秩相关系数为0，最大程度上满足正交试验样本之间“均匀分散，齐整可比”，的特点。上述步骤2)与步骤3)之间，还包括对步骤2)设计的正交试验表样本进行整体建模验证，排除结构不可行子样本的步骤。上述步骤3.1-3.2)是利用参数化仿真控制平台中的参数化有限元分析程序实现，所述参数化有限元分析程序基于APDL语音编写，通过脚本文件控制分析流程。基于参数化仿真控制平台技术，将有限元分析过程程序化，可分步骤自动读入正交样本中的设计参数，自动更新模型并程序化地完成有限元分析，并提取、储存结果，极大的提高了计算效率，避免了通过手动进行大量重复的有限元分析工作。上述步骤(2)中提取的应力响应包括Von Mises应力极值和周向膜应力均值，位移响应包括径向位移极值和总位移极值。上述述步骤3.3)具体为：将应力响应和位移响应至于同一个表格中，进行相关性分析，获取响应之间的秩相关系数；并将响应数据标准化处理，进行主成分分析，根据得到的主成分贡献率关系选择一个综合响应指标。上述步骤(3.4)包括：基于得到的综合指标和正交试验表，进行方差分析，识别出对综合响应指标影响可忽略的设计指标。上述步骤(3.4)还包括：基于得到的综合指标和设计参数正交表，进行方差分析，定量获取各设计参数对综合响应指标的敏感度排序关系。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)基于参数化的有限元分析程序语言，使建模、网格处理、加载和后处理等有限元分析步骤参数化、流程化，因此大大的提高了计算效率，且具有较好的通用性和重复性；(2)搭建了自动化的优化平台，嵌入参数化有限元分析程序后，可以自动完成大样本的分析计算，大大的提高了计算效率，降低了人力成本；(3)基于正交试验设计获取样本分布(正交表)，避免了样本选择与组合过程的盲目性和随机性，保证样本之间的零相关性；(4)采用相关性分析、主成分分析和方差分析等方法评估设计参数的敏感度信息，在数学上严格保证了分析结果的有效性和和准确性。附图说明图1是本专利技术参数化分析流程示意图。图2是本专利技术参数化仿真控制平台结构图。图3是本专利技术三段圆弧基元相切式波形结构示意图。图4是本专利技术多层三段圆弧基元相切式波纹管结构示意图。其中附图标记为：1-波谷圆弧段，2-中间过渡圆弧段，3-波峰圆弧段，4-端部连接段。具体实施方式如图2所示，本专利技术的参数化仿真控制平台包括仿真组织模块、仿真计算模块、数据处理模块，仿真计算模块包括参数化建模模块、网格处理模块、加载模块及求解模块；数据处理模块包括相关性分析模块、主成分分析模块、方差分析模块，仿真组织模块用于提取正交试验表中的样本并更新参数化建模模块中的关键结构参数，网格处理模块用于根据关键结构参数的取值划分有限元网格，加载模块及求解模块用于设置载荷和约束条件，定义合理载荷分析步并求解。相关性分析模块及主成分分析模块针对所有样本所对应的应力响应和位移响应，进行相关性分析和主成分分析，得到可表征所有响应的一个综合响应指标。仿真组织模块针对综合响应指标进行各关键结构参数的方差分析，获得各关键结构参数对综合响应指标的敏感度关系。如图3所示，本专利技术采用的三段圆弧基元相切式波形结构由波谷圆弧段1、中间过渡圆弧段2和波峰圆弧段3相切连接而成；如图4所示，由多个单层薄壁波纹管紧密贴合形成多层波纹管结构，其端部焊接有连接段4。实施例1(1)选择三段圆弧基元相切式波纹管独立的结构参数分布范围为：波峰(波谷)半径rn/rw9～10mm，波高W43～48mm，波距q38～42mm，单层厚度t0.475～0.535mm，波纹管波数n3～10层，波纹管层数c3～10层；(2)步骤(1)中有6个独立的几何参数，各参数在其基准值的基础上按偏移±5％取值，每个参数可取均匀分布的8个值；形成结构参数的正交表L64(814)，表示每个影响因子有8种分布水平，样本容量为64；rn/rwwqtnc19.1544.0038.600.4853429.9046.8038.000.505104……………………………………641043.0040.400.49085(3)对正交表进行相关性分析，得到设计变量之间的秩相关系数为零；输入样本之间的秩相关系数(4)将正交表导入参数化仿真平台，排除并替换不可行子样本；(5)将正交表导入参数化控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，所述波纹管特征形面为三段圆弧相切式结构，其特征在于：包括下列步骤：1)将三段圆弧基元相切式波纹管的设计参数解耦，确定出关键结构参数，各关键结构参数之间互不相关；2)在各关键结构参数的取值范围内设计大样本正交试验表，确保各关键结构参数之间的秩相关系数为零；3)将正交试验表导入参数化仿真控制平台，进行大样本计算，具体步骤如下：3.1)提取正交试验表中的样本，并根据正交试验表中的样本进行建模；3.2)根据样本中关键结构参数的取值划分有限元网格，设置载荷和约束条件，定义合理载荷分析步，求解得到的不同样本所对应的应力响应和位移响应；3.3)针对所有样本所对应的应力响应和位移响应，进行相关性分析和主成分分析，得到可表征所有响应的一个综合响应指标；3.4)针对综合响应指标进行各关键结构参数的方差分析，获得各关键结构参数对综合响应指标的敏感度关系。

【技术特征摘要】
1.一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，所述波纹管特征形面为三段圆弧相切式结构，其特征在于：包括下列步骤：1)将三段圆弧基元相切式波纹管的设计参数解耦，确定出关键结构参数，各关键结构参数之间互不相关；2)在各关键结构参数的取值范围内设计大样本正交试验表，确保各关键结构参数之间的秩相关系数为零；3)将正交试验表导入参数化仿真控制平台，进行大样本计算，具体步骤如下：3.1)提取正交试验表中的样本，并根据正交试验表中的样本进行建模；3.2)根据样本中关键结构参数的取值划分有限元网格，设置载荷和约束条件，定义合理载荷分析步，求解得到的不同样本所对应的应力响应和位移响应；3.3)针对所有样本所对应的应力响应和位移响应，进行相关性分析和主成分分析，得到可表征所有响应的一个综合响应指标；3.4)针对综合响应指标进行各关键结构参数的方差分析，获得各关键结构参数对综合响应指标的敏感度关系。2.根据权利要求1所述的一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，其特征在于：步骤(1)中设计参数解耦后简化为6个关键结构参数：波纹半径、波高、波距、单层壁厚、波数和层数。3.根据权利要求1所述的一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，其特征在于：所述步骤2)中设计的正交试验表，可通过关键结构参数之间的相关性分析判别各设计参数的秩相关系数是否为零。4.根据权利要求1所述的一种基于方差敏感度排序的三段圆弧基元波纹管分析方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵剑，谭永华，刘站国，陈建华，陈守芳，黄道琼，付平，
申请(专利权)人：西安航天动力研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61