ANSYS可靠性设计PDS

ansys分析可靠度2007-11-11 10:29:41| 分类：Ansys特辑|举报|字号订阅关于ansys分析可靠度的问题,他有两种方法：monte-carlo和响应面法。

在现在的可靠度分析中monte-carlo法有中心点抽样法、直接重要抽样法、更新重要抽样法、渐进重要抽样法、方向抽样法，这里的中心点抽样法是最古老、效率最低的一种，但ansys里只有这一种方法，只是在抽样选点时有不同的两种选择；并且，monte-carlo在工程计算中只用于校合，不能用于工程实践；中心点抽样法在计算中一般要进行计算次数的讨论：当可靠指标为1.0时，失效概率1.5866E-01；当可靠指标为2.0时，失效概率2.275E-02；当可靠指标为3.0时，失效概率1.3499E-03；当可靠指标为4.0时，失效概率3.1671E-05；一般结构的可靠指标为2-4，假设计算结构的可靠指标为3.0，此时的最少有限元计算次数为1/1.3499E-03（由于在计算过程中的多维变量随机选点不理想等原因，实际的计算次数远大于此），这对于写论文还可以，对于实际复杂的体系可靠度而言，是没法完成的；下面我们来讨论一下ansys响应面法以及构件可靠度和体系可靠度：响应面法计算可靠度不需要monte-carlo那么多次的有限元计算，对于构件可靠度他是现在一个很热门的研究方法，但是，对于体系可靠度，他没有考虑体系可靠度的失效模式；现在对于体系可靠度有两种认识：一种认为体系可靠度是由构件可靠度构成的，只有先知道构件可靠度，才能知道体系可靠度，要知道体系失效，先知道构件失效及其失效路径，在这方面大连理工大学的许林博士和张小庆博士开发了一套程序（程序思想是以上面的体系可靠度的认识为理论基础），程序的流程如下：利用经过二次开发生成的新的ANSYS，进行可靠度计算的具体运算过程为：1) 利用APDL建立结构分析文件和优化文件；2) 运行ANSYS的批处理方式，利用分析文件建立模型、进行结构分析与敏度分析；3) 进入用户优化模块完成可靠度分析的一次迭代过程；4) 重新利用分析文件建立模型、进行结构分析与敏度分析；5) 根据结构分析函数值和敏度值，以及前一点的结构分析函数值，用前面介绍的近似曲面构造法寻求拟合误差最小的近似极限状态函数；6) 对上一步得到的近似函数进行可靠度分析；7) 比较两次计算结果收敛与否，是则结束迭代，否则转到第4步，进行下一轮迭代。

第３３卷第３５期２００７年１２月山西建筑ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨｌｌＥＣＴＩ７ｌｉＥＶｄ．３３Ｎｏ．３５Ｄｅｃ．２００７·８５·文章编号：１００９．６８２５｛２００７｝３５—００８５—０２基于ＡＮＳＹＳ的可靠性分析晁成新摘要：介绍了结构可靠性的基本原理和基本分析方法，利用ＡＮＳＹＳ中的可靠性分析工具——ＰｍｂａｂｉｌｉｓｔｉｃＤｅｓｉｇｎ，对框架结构的可靠性进行了分析，实例证明：该方法可得到比较精确的可靠度指标和失效概率，但是其效率不高，需要对其抽样方法进行改进。

关键词：可靠性，失效概率，蒙特卡罗，框架结构中图分类号：ＴＵ３１１．２文献标识码：Ａ１基本概念结构的安全性、适用性、耐久性统称结构的可靠性…１。

工程结构要求具有一定的可靠性，因为结构在设计、施工、使用过程中具有种种影响其安全、适用、耐久的不确定性。

对影响结构行为的这些不确定因素进行分析称之为结构可靠度分析，它是结构计算、设计内容的重要组成部分。

在结构可靠度分析中，采用功能函数表达结构的极限状态，其形式为：Ｇ（Ｘ）＝Ｒ—Ｓ，其中，随机矢量Ｘ＝（ｚ１，ｚ２，…，ｚ。

）表征了工程中存在的不确定信息，如材料参数、几何尺寸、荷载的随机性等；Ｒ为结构抗力；Ｓ为结构的综合效应。

当Ｇ（ｘ）＞０时，结构处于安全状态；当Ｇ（Ｘ）＝０时，结构处于极限状态；当Ｇ（Ｘ）＜０时，结构处于失效状态。

结构的失效概率为：Ｐ，＝ＰＥＧ（ｘ）＜０］＝ｌ，，ｆ（ｘ）ａｘ（１）其中，，（Ｘ）为随机矢量Ｘ的联合概率密度函数。

２基本分析方法２．１蒙特卡罗法蒙特卡罗法又称为随机模拟法，该法是依据统计抽样理论，利用计算机研究随机变量的数值计算方法。

理论上，模拟的方法可以应用于大型复杂系统，通常当得不到解析解或解析解无效时采用蒙特卡罗法。

该法又是唯一的检验或者评价近似解的方法，是目前系统可靠度分析中的相对精确法。

由概率定义可知，某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算，而蒙特卡罗法的主要任务是根据确定的概率分布产生随机数。

核 动 力 工 程Nuclear Power Engineering第30卷 第1 期 2 0 0 9 年2月V ol. 30. No.1 Feb. 2 0 0 9文章编号：0258-0926(2009)01-0109-03基于ANSYS 的压力容器可靠性分析彭翠玲，艾华宁，刘青松，向文元（中科华核电技术研究院，广东深圳，518124）摘要：运用通用有限元分析软件（ANSYS ）的概率设计功能，以压力容器壁厚、压力载荷及弹性模量为随机输入变量，模拟实际结构设计参数的随机性。

选用蒙特卡罗法进行压力容器应力的可靠性分析，获得了该有限元分析模型的应力概率分布特征，得到了压力载荷、壁厚等设计参数对应力分布的敏感程度。

关键词：压力容器；可靠性分析；ANSYS ；蒙特卡罗法 中图分类号：TG404 文献标识码：A1 前 言常用工程构件的设计方法有两种：传统的结构强度理论设计方法和可靠性设计方法。

结构强度设计方法是假设各设计变量为确定值，并要求结构的工作应力小于材料的许用应力，即[]σσ≤。

这种设计方法中，材料的属性、结构尺寸、载荷等各种参数都是根据假设和理想化得到的，对这些因素的误差引入一个安全系数加以处理。

严格说来，这些参数都不是确定的，具有一定的随机性和模糊性。

可靠性设计方法假定设计变量为随机变量，依据可靠度或失效概率进行设计，也称为概率设计。

相对于确定性的评价方法，可靠性设计方法不但能给出较准确的失效概率值，还可给出结构的设计参数敏感性分析结果。

本文应用ANSYS 概率设计模块PDS 的可靠性分析功能，采用蒙特卡罗法，以压力容器壁厚、压力载荷及材料的弹性模量作为随机输入变量，对压力容器的可靠性进行了分析。

2 ANSYS 的可靠性分析功能ANSYS 的概率分析的参数包括随机输入参数和随机输出参数。

随机输入参数指影响分析结果的结构和载荷数据，如弹性模量、载荷、结构几何尺寸等。

随机输出参数指有限元分析的结果，通常是随机输入参数的函数，如应力、应变等[1]。

在ANSYS 中计算结构的可靠度黄兆兵河海大学工程力学系，南京(210098)E-mail ：huangzhaobing123@摘 要: 本文首先介绍了蒙特卡罗法计算结构可靠度的相关理论,以及大型通用有限元分析软件ANSYS 的概率分析功能模块,提出了利用ANSYS 对结构进行可靠度分析的方法.通过一个简单的实例说明了利用ANSYS 进行结构可靠度分析的可行性. 关键词: 蒙特卡罗法，结构可靠度，ANSYS1． 引言工程结构要求具有一定的可靠性,因为结构在设计、施工和使用过程中具有种种影响其安全、适用和耐久的不确定性。

在用确定性方法（如有限单元法）计算结构模型时，所需的量如荷载、材料特性、构件尺寸和边界条件等，我们通常将它们取为定量。

但这并不符合实际。

事实上，真实设计的任何构件或结构，以上的物理量总是具有不确定性，我们无法准确获得它们的值。

所以，它们都应被视为具有某种分布特性的随机变量。

另外，还存在统计方法以及分析模型的不确定性等。

结构可靠度分析的任务就是考虑各类不确定性因素对结构分析的影响程度，并最终以一个定量（可靠指标）来描述。

在可靠度分析中，结构的极限状态是由功能函数表达的，其形式为()Z g X =，其中随机矢量12(,,,)n X X X X = 表征了工程结构中存在着的不确定信息。

当0()g X >时，结构处于安全状态；当0()g X =时，结构处于极限状态； 当0()g X <时，结构处于失效状态。

结构的失效概率是[]00()()()f g X P P g X f X dX <=<=∫，其中()f X 为随机矢量的联合概率密度函数[1]。

2． 蒙特卡罗法简介计算结构或构件可靠度的方法有很多，蒙特卡罗法是其中独具风格的数值计算方法。

它是通过对随机变量的大批抽样，通过结构的失效频率来计算结构的失效概率，所以又称随机抽样法或统计实验法，也是被公认为相对精确的一种结构可靠度分析方法[3]。

基于响应面法ANSYS灵敏度分基于应面法ANSYS灵敏度分析肖禧成（东南大学机械工程学院,120176）摘要:基于响应面法的ANSYS灵敏度分析是一种可靠有效的分析方法,本文详细阐述了ANSYS中基于响应面法的灵敏度分析基本原理,为基于ANSYS的结构灵敏度分析提供参考;应用ANSYS对一个流固耦合模型中固体接触面内应力受冷、热水流体温度的影响进行了灵敏度分析,并寻求一组最佳参数值，使当冷、热水入口的速度、温度在一定范围内变化的情况下，使中心块的内应力最小。

并通过对计算结果的分析，验证了基于响应面法ANSYS灵敏度分析的高效性和可靠性。

关键词:灵敏度分析;响应面法;流固耦合;ANSYS Abstract: The sensitivity analysis( SA) based on response surface method in ANSYS is a reliable and effective method, the basic SA theory based on response surface method in ANSYS is presented in detail, which can be a reference of structural SA using ANSYS. AFluid-solid coupling model is analyzed by using ANSYS, and the sensitivity values of intra-stress on the contract surfaces of the solid responses to different velocity and temperature of the inlet and outlet are calculated, which can be used to compute a fittest parameter making the intra-stress minimum. The analysis of the calculated results verifies the reliability and effectiveness of SA based on experimental data.Key words: sensitivity analysis (SA);response surface methods; Fluid-solid coupling; ANSYS目录1.响应面法32.ANSYS灵敏度分析的基本原理 (6)2.1 ANSYS概率设计系统（PDS） (6)2.2 基于Spearman秩相关系数【9】的ANSYS灵敏度分析 63.流场腔内固定块的应力场的灵敏度分析73.1 ANSYS CFX分析 (7)3.2 求解壁面应力灵敏度 (12)4.结论19参考文献 (20)1. 响应面法响应面方法是进行灵敏度分析的一种有效方法，其思想是通过一系列确定性试验拟合一个响应面来模拟真实极限状态曲面．假设Z 与系统随机参量12[,,,]r Q Q Q Q =的关系可用式(1)描述，通过随机抽样法得到随机参量的N 个样本值，对这N 个样本值数值计算得到系统响应的一组样本值12(,,,)s z z z 利用最小二乘法得到该系统函数；用该响应面方程代替有限元模型进行失效模式分析，在结构响应Z 未知的情况下，用响应面函数代替结构的真实响应，将大大节约计算时间【1】．011ˆR R Ri i ij i ji i j iZ a a Q a QQ ====++∑∑∑ (1) 式中0,,(1,,;,,)i ij a a a i R j i R ==为待定系数，共1(1)/2n n n +++个．采用矩阵法对每个随机变量取三个水平点，按照某种法则得出中心所在点和边中点作为样本值点．图1.1表示三变量 123(,,)Q Q Q 样本值点。

利用Ansys的概率分析功能实现结构的可靠性分析摘要：有限元分析软件Ansys5.7提供了概率分析功能，使对结构的概率分析非常容易。

在本文中对Ansys的概率分析方法作了简单的介绍，提出了利用Ansys的概率分析功能进行结构的可靠性分析的方法，并通过一个实例，说明了利用Ansys的概率分析功能实现结构的可靠性分析的可行性。

关键词：有限元分析、概率设计、可靠性分析Abstract:The software of FEA (Finite Element Analysis) Ansys 5.7 provides the function of probabilistic design, which makes structural probabilistic analysis very easy. In this paper, the method of probabilistic design is introduced. The technique of the structural reliability analysis through the probabilistic design of Ansys is presented. From an instance, it shows that the method presented is feasible.Keywords：Finite Element Analysis, probabilistic analysis, reliability analysis1. 概率分析概述在工程分析中，我们建立的分析模型都是经过各种假设和理想化而得出的，事实上，真实设计的任何产品，其材料属性、加工公差、边界条件和载荷等总是具有不确定性,并且它们的真实值往往是无法得到的。

所以，在有限元分析中的几乎所有输入参数都是不确定的，都具有一定程度的不确定性。

这种不确定性就给分析带来误差，使分析结果与实际有较大的差别。

如图所示，三根铰接杆承受集中力载荷模型。

其尺寸和材料属性均是不确定的输入参数。

随机条件如下：•截面积A1均值为10mm^2，mm，服从高斯分布•截面积A2最小值为10,最可能的值为11,最大值为12，服从三角分布•截面积A3最小值为9,最大值为11，服从均匀分布•定义输入变量A1与A3之间的关系,相关系数为图1在上述条件下，杆件的最大轴向应力的输出SIG1、SIG2、SIG3为随机行为，具体研究内容如下：•观察变量的抽样过程，确定PDS是否执行了足够多的仿真循环计算数目；•绘制SIG1响应历史曲线；•绘制SIG2的分布柱状图；•对VTOT进行灵敏度分析；GUI操作方式：第一步：设置工作目录：Utility Menu>File>Change Directory第二步：创建PDS分析文件，即仿真循环文件PDS3BAR.mac1.分析文件是为了在概率分析过程中使用而创建的。

利用文本编辑器或根据LOG文件整理，在ANSYS当前工作目录中创建PDS3BAR.mac，其内容如下：*SET,a1,10 !初始化设计变量*SET,a2,10*SET,a3,10/PREP7ET,1,LINK1 !定义单元和材料R,1,a1 !定义实常数R,2,a2R,3,a3N,1,0,0,0 !生成节点N,2,10,0,0N,3,20,0,0N,4,10,-10,0REAL,1 !生成有限元模型E,1,4REAL,2E,2,4REAL,3E,3,4FINISH/SOLU !加载求解D,1,ALL, , ,3F,4,FX,20000F,4,FY,-20000SOLVEFINISH/POST1SET,FIRSTETABLE,VOLU,VOLU, !将单元体积放入表VOLU中ETABLE,AXST,LS,1 !将单元应力放入表AXST中*GET,sig1,ELEM,1,ETAB,AXST !sig1=单元1的轴向应力*GET,sig2,ELEM,2,ETAB,AXST*GET,sig3,ELEM,3,ETAB,AXSTSSUM !将单元表格内数据求和*GET,VTOT,SSUM, ,ITEM,VOLU !提取结构总体积FINISH2.清除内存。

基于ANSYS中PDS模块边坡可靠性分析李原;武清玺【摘要】基于ANSYS中PDS模块,在强度折减法确定边坡工程的安全稳定系数后,使用可靠性理论中的蒙特卡洛法,结合有限元软件进行概率设计.通过一个典型的边坡工程实例,在输入多个边坡材料的随机参数情况下,求得边坡最大沉降量以及目标控制值下边坡的失效概率.分析结果形象合理,较传统边坡稳定分析方法更加客观有效.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)002【总页数】3页(P105-107)【关键词】边坡工程;ANSYS中PDS模块;强度折减法;蒙特卡洛法【作者】李原;武清玺【作者单位】河海大学力学与材料学院,南京210098;河海大学力学与材料学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU753.7在边坡稳定性数值分析法中，基于有限元的强度折减法作为一种确定性方法，因其简便有效而被广泛地应用。

然而由于没有考虑实际情况和材料参数的不确定性，使计算结果和实际情况相差较大。

将可靠性理论中的蒙特卡洛法和有限元技术结合起来，考虑强度折减，把输入的边坡材料参数作为具有一定统计特征的随机变量，使用有限元软件进行分析，可以较准确的反应边坡实际情况[1]。

在此方法下进行可靠性分析，有助于通过控制最大沉降量的失效概率来保证边坡稳定性，本文使用大型有限元软件ANSYS中的PDS模块可以很好地解决此类问题。

建立在强度折减有限元分析基础上的边坡稳定性分析的基本原理就是将关于边坡稳定的两个参数内聚力c和摩擦角φ同时除以一个折减系数F，得到新的内聚力c′和摩擦角φ′，即:将折减后的参数输入并使用有限元软件分析计算。

开始时F取小一些，保证近乎于一个弹性问题，若程序收敛则说明边坡稳定。

然后慢慢增加F直至某一值使得程序恰好不收敛，此时的折减系数即为边坡的稳定安全系数，即边坡达到到极限状态[2]。

本文计算采用理想弹塑性模型，在大型有限元分析软件ANSYS中采用D-P准则，这是Drucker和Prager于1952年在Mises准则的基础上进行修正，消除了M-C屈服面的棱线，考虑平均静水压力对屈服的影响，其屈服函数为：I1=σ1+σ2+σ3式中，I1与J2为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；α与k为材料常数，通过与M-C屈服模型的比较可确定其值。

基于ANSYS／PDS的深水复合材料电子密封舱性能分析摘要本文运用有限元分析软件ANSYS对电子密封舱进行了稳定性分析和强度分析，并改变其中某些参数值，以确定其对分析结果的影响，应用先进的有限元概率设计方法对部分安全系数和圆柱壁厚的变量统计特征的影响进行了灵敏度分析。

结果显示内径和模型的不确定性对设计结果有较大影响，而纵向弹性模量，横向模量和外部压力的影响较小，剪切模量和泊松比则几乎没有影响。

一系列的实验显示实验结果与分析结果具有良好的一致性。

关键词复合材料压力容器；有限元分析；强度；灵敏度分析1 前沿压力容器是指能承受一定压力，具有潜在危险的设备。

决定压力容器安全性的内在因素是材料的状态和性能。

用于制造压力容器的材料需要满足韧性、塑性、与介质相容性、可制造性、机械强度等要求[1]。

恰逢工业用材种类的增多和综合性能的迅速完善，用于制造压力容器的材料有了重大突破——复合材料。

复合材料是由基体和增强材料两个部分组成。

非金属基体主要有合成树脂、碳、石墨、橡胶、陶瓷；金属基体主要有铝、镁、铜和它们的合金，以及各种钢材；增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等有机纤维和碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝及硬质细粒等无机纤维。

2 密封舱概率设计有限元分析考虑到密封舱的材料属性及受力和变形情况，本例在建模时采用了SOLID95和SOLID191两个单元，其中纤维层采用SOLID95单元，铝合金内衬采用SOLID191单元。

2.1 失稳模态预测利用有限元预测的失稳模态如图1所示，从图中可以看出，该密封舱的临界失稳压力值是12.617MPa。

从图中还可以看出，该密封舱的失稳形式为三模态失稳，环形有三个失稳波形。

3 实验及结果3.1 碳纤维缠绕复合密封舱的设计及制造碳纤维缠绕复合密封舱的设计尺寸及实物图如图4-1所示。

碳纤维缠绕复合密封舱由一个10层的碳纤维环氧复合材料缠绕层、铝合金内衬和封头三部分。

碳纤维环氧复合材料缠绕层由碳纤维粗纱和E51双酚A型环氧树脂用T700-12 K工艺制造。

基于蒙特卡洛法的结构可靠性分析王元帅;刘玉石;朱宜生【摘要】传统的结构分析方法常采用安全系数法,然而安全系数法没有考虑各参数的随机特性,只是将所有参数考虑为确定值,为了确定各参数的随机性对结构分析结果的影响,本文利用蒙特卡洛法进行结构可靠性分析.方法:通过ANSYS自带的概率有限元分析模块PDS,利用APDL参数化建模方法建立分析文件,结合蒙特卡洛模拟抽样,计算结构可靠度及灵敏度等参数.通过孔板这一典型工程算例计算其可靠度,计算结果显示在给定的边界条件下及载荷下,孔板结构的可靠度为94.4％.利用PDS 模块结合蒙特卡洛法对结构进行可靠性分析具有一定的实用性和有效性.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2018(036)005【总页数】6页(P41-45,57)【关键词】蒙特卡洛法;结构可靠性分析;ANSYS-PDS【作者】王元帅;刘玉石;朱宜生【作者单位】中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州 225001;中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州225001;中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州 225001【正文语种】中文【中图分类】TQ051.31 结构可靠性分析传统的结构设计方法安全系数法没有考虑结构分析中各参数的变异性，将所有参数均考虑为确定值，因而具有一定的局限性[1]。

根据概率统计学原理以及实际工程情况，结构分析中的各参数均具有一定的不确定性及随机性，结构可靠性分析就是一种考虑各参数随机特性的结构分析方法。

考虑了结构的几何尺寸、载荷特性、材料属性、加工过程及工作环境中的各种不确定性[2]，将结构强度、结构载荷及几何尺寸等参数视为随机变量，因此作为一种现代结构设计方法逐渐得到学者的重视。