结构系统失效路径统计规律及可靠性宏观分析

结构系统可靠性问题的难点主要在于问题规模大，系统的失效是一个渐变、多状态过程，失效路径难以确定，系统中元件之间、失效模式之间都存在相关性。目前系统可靠性的分析往往归结为数学问题，计算过程非常繁杂，并且难以得到精确解，应用价值不大。.本项目基于"连续体断裂失效分析中不关注裂纹扩展细节"这一事实,提出在结构系统失效分析中，从能量转化角度，对失效路径进行宏观描述，从而使不同细节的失效路径具有可比性。在此基础上，鉴于失效路径的走向取决于少部分主要元件的认识，研究失效路径走向和载荷作用方式之间的关系，得出统计意义上的失效方向。以此为原则，针对典型结构通过宏观比较找出能体现载荷特点、有代表性的失效模式，并对基于这些失效模式得出的复杂结构系统可靠度的精度进行评估。.最后,分析失效路径内部节点和各主要失效模式之间相关性的作用机理，建立结构可靠性系统层相关失效分析模型，克服相关系数难以描述非线性相关的不足。

项目以典型航空结构的共线多孔边多位置损伤问题和6杆一次超静定桁架结构为研究对象，展开结构系统可靠性的实验和理论研究。完成了含主裂纹和不含主裂纹两种形式多位置损伤情况、共计11个试样的剩余强度和失效路径演化实验，实验结果表明不同试样失效路径各不相同，含主节点试样结构最终从主裂纹处贯通，主节点作用明显。试样存在两个主节点，最终哪一个主节点起作用，取决于次节点的影响。对于某一特定试样来说，次节点的影响作用难以预测，然而所有试样的疲劳寿命稳定在一定范围内，说明通过概率的方法从宏观上对这种影响作用进行描述是可行的。. 建立了该多位置损伤结构剩余强度预测的概率模型，当剩余强度不太小时，预测值均值要比Swift准则预测结果更接近实测值。进一步研究了该载荷共享并联系统中失效路径和载荷之间的关系，按等应力原则进行失效路径发展过程中结构内力的重新分配，基于系统层相关失效原理，采用Monte Carlo方法得到结构的失效概率预测数据，该方法改善了按净截面屈服预测结构剩余强度误差较大的问题，预测误差在10％左右。. 针对6杆一次超静定结构，以杆件依次断裂为失效模式，探讨了结构系统中有失效路径演化时的能量关系，推得应变能释放率和载荷平方以及单位裂纹造成的柔度改变成正比，根据不同元件对结构柔度影响作用的显著性可区分主、次节点。

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