多失效模式机械系统可靠性优化设计

为提高机械系统的可靠性,应用机械系统可靠性设计理论和优化设计方法,在多失效模式下,研究机械系统可靠性优化设计的实现方法.运用可靠性设计的随机摄动法,讨论机械系统可靠性优化设计问题,建立机械系统可靠性优化设计方法在多失效模式下的数学模型,提出机械系统可靠性优化设计的计算方法.在基本随机参数前二阶矩已知情况下,通过计算机程序可以迅速准确地获得机械系统可靠性优化设计信息.该方法的计算结果更接近工程实际中机械系统可靠性优化设计问题.     

相关失效模式多自由度随机滞回系统可靠性分析

在Bouc-Wen模型的基础上,研究了具有相关失效模式多自由度非线性随机滞回系统可靠性分析问题．基于首次穿越模型,应用不完全概率信息理论、四阶矩技术和Gram-Charlier级数逼近技术,对随机滞回环参数多自由度非线性随机振动系统可靠性问题进行分析．研究表明,在考察时间范围内的大部分情况下,由独立随机参数描述的随机系统各阶响应表现出强相关特性;相关失效模式是系统失效的主要模式．其分析计算结果与Monte-Carlo模拟结果吻合较好,从而解决了由滞回环本身随机性引起的具有相关失效模式的多自由度非线性随机振动系统可靠性分析问题．     

工字型截面构件的船体板架结构可靠性优化

利用有限元方法进行结构分析,建立失效模式的安全余量方程,失效模式的可靠性指标由一次二阶矩法确定,由分枝限界法识别主要失效模式,结构系统和主要失效模式的可靠性指标之间的关系通过ＰＮＥＴ法（概率网络估算法）确定,并依此导出系统可靠性指标相对设计变量的导数。结构的可靠性优化,通过考虑具有工字型截面梁元的稳定性,将设计变量减少一半,降低优化规模,然后,采用最佳矢量法完成两类优化设计：在结构系统可靠性约束下     

带有不完全信息随机截尾数据的Fisher信息阵

在失效显示概率不相等条件下,讨论了带有不完全信息随机截尾试验数据的Fisher信息阵问题,给出了4个定理,发展了相关文献的结果.     

考虑失效模式相关性的机械系统可靠性分析

考虑失效模式相关性对机械系统可靠性的影响,提出了一种基于FORM(first order reliability methods)近似的系统可靠性分析方法及其实施流程.采用FORM计算系统各失效模式的可靠度和灵敏度,在此基础上,获得用于衡量失效模式相关性的相关系数矩阵.将系统可靠性模型求解转化为多维正态积分计算,进而采用高效的近似方法获得系统可靠度.给出失效模式灵敏度和随机变量灵敏度的定义及其相应的计算方法.算例结果表明:该方法能够获得较为准确的系统可靠度,且具有较高的计算效率,能够有效识别关键失效模式和随机影响因素.     

随机结构系统综合考虑静强度、刚度和疲劳的多失效模式的可靠性分析

在结构系统使用过程中, 将可能出现多种失效形式, 例如静载失效、疲劳失效和刚度等失效形式. 根据疲劳载荷造成的随机裂纹对结构极限应力和截面模量的影响, 给出了结构构件在裂纹扩展下的构件剩余抗力的表达形式, 分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式, 并考虑了各失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响. 具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理以及各失效模式之间的相关性, 给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法. 结合数值算例对结构系统进行了综合考虑静强度、刚度和疲劳的可靠性分析, 表明在不同的使用年限内, 结构系统失效概率是不同的, 静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响也是不同的; 该方法比只考虑单一因素(或静强度、或疲劳、或刚度等)下的结构系统可靠性分析更符合结构系统使用的真实情况.     

机械传动系统可靠性设计模型(Ⅰ)——考虑应力相关性的设计

以齿轮减速器为例,分析了典型机械传动系统的各组成元素·采用FMEA方法,依照各元素对系统可靠性影响的大小,对系统进行可靠性设计时的组成进行了简化,建立了减速器系统可靠性计算模型串联系统模型·根据条件概率理论,建立了系统元素间失效完全相关的判据并给出实用表达式·在此基础上,针对系统中各零件在同一个力源作用下的事实,给出了机械传动系统可靠性设计考虑应力相关性的设计模型和计算方法,得到的模型和方法可推广应用到其他机械传动系统可靠性设计计算中·     

基于损伤等效原理的并联系统相关失效可靠性分析

在考虑零件寿命服从Weibull分布的条件下,针对两个零件的并联系统进行相关失效分析,提出了一种分析相关失效的等效损伤转换方法,并基于损伤等效转换原理及全概率公式对并联系统进行相关失效可靠性建模;应用Monte Carlo仿真验证所建立的模型的正确性.研究表明,这种基于损伤等效原理的并联系统可靠性模型能够很好地反映并联系统零件间的相关失效,并且能够满足损伤等效准则,优于等概率转换法所建立的模型;从而为零件寿命服从Weibull分布的并联系统可靠性分析提供了一种新的方法.     

机械传动系统可靠性设计模型（I）——考虑应力相关性的设计

以齿轮减速器为例，分析了典型机械传动系统的各组成元素．采用FMEA方法，依照各元素对系统可靠性影响的大小，对系统进行可靠性设计时的组成进行了简化，建立了减速器系统可靠性计算模型——串联系统模型．根据条件概率理论，建立了系统元素间失效完全相关的判据并给出实用表达式．在此基础上，针对系统中各零件在同一个力源作用下的事实，给出了机械传动系统可靠性设计考虑应力相关性的设计模型和计算方法，得到的模型和方法可推广应用到其他机械传动系统可靠性设计计算中．     

单元寿命服从任意分布的共载并联系统可靠性

在共载并联系统可靠性分析的基础上,根据条件概率及全概率理论,将系统各单元在各载荷阶段的寿命过程通过等效累积失效概率模型折合到后续寿命过程中,给出任意寿命分布下的共载并联系统可靠性模型通式.然后分析其求解方法,建立系统可靠度的蒙特卡罗仿真方法.为满足工程需要,提出系统可靠度的上下界法.算例证明了模型及算法的通用性、可行性.     

螺旋管簧的可靠性鲁棒设计

在可靠性优化设计理论与可靠性灵敏度分析方法的基础上，讨论了螺旋管簧的可靠性鲁棒设计问题，提出了可靠性鲁棒设计的数值计算方法，把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中，将可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题。     

不完全概率信息下机械零部件的可靠性灵敏度设计

应用随机摄动技术和四阶矩技术,将可靠性设计理论与灵敏度分析方法相结合,建立了机械零部件可靠性灵敏度设计模型.提出了基于四阶矩方法的可靠性灵敏度设计的计算方法,讨论了具有不完全概率信息的机械零部件的可靠性灵敏度设计问题;探讨了机械零部件的可靠性随设计参数改变的数学评价方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律;研究了设计参数的改变对机械零部件的可靠性的影响,并且获得了理想的数值设计结果.为机械零部件的可靠性设计提供了理论依据.     

基于鞍点逼近的车辆零部件可靠性优化设计

将可靠性理论与优化技术相结合,讨论了车辆零部件的可靠性优化设计问题,提出了可靠性优化设计的数值计算方法.在基本随机参数概率分布已知的前提下,应用鞍点逼近技术,得到了外载荷作用下随机响应的概率密度函数和分布函数.通过与Monte-Carlo方法对比分析,可知利用该方法得到的计算结果精度高,并且计算速度快.因此用鞍点逼近法计算车辆零部件的可靠度为车辆零部件的可靠性优化设计奠定了理论基础,保障了在车辆零部件的可靠性优化设计中迅速、准确地得到车辆零部件的设计信息.     

基于可靠度的输电塔抗风优化研究

提出一种基于可靠度约束的输电塔实用抗风优化设计方法.首先,识别出体系的失效模式并找出关键杆件同时提取各失效模式对应的安全余量方程,计算各失效模式的可靠指标.然后,对可靠度不满足的失效模式通过加强关键杆件的方法进行优化.最后,对各失效模式进行综合求出体系可靠指标,若体系可靠度满足要求则优化结束,若体系可靠度不满足则通过优化最小可靠指标的失效模式来提高体系可靠度直到满足为止.编制程序对塔架进行了若干个风速的优化,分析结果表明:1)在完整失效路径上存在关键的破坏杆件,对关键杆件进行优化可以有效地提高体系可靠度;2)这是一种直接消除结构薄弱点的优化,优化效果好;3)随优化风速的增大,优化的效率将变低;4)方法计算简单,结果合理.     

基于PSO算法的复合材料层合板可靠性优化设计

采用粒子群算法(PSO)分析了存在初始缺陷的复合材料层合板的可靠性优化问题.在层合板结构总厚度一定的情况下,以系统可靠度最大为目标函数,对复合材料的纤维方向角和相对厚度进行优化设计.单层板失效与否应用Tsai-Wu准则判断,采用一次二阶矩法(FORM)计算和评价失效概率.通过具体算例及借鉴遗传算法中的在线性能和离线性能评估准则,对粒子群算法的收敛性能进行评估,结果表明:与遗传算法相比,该方法具有操作简单、计算效率高等特点,对复合材料层合结构的可靠性优化设计十分有效.     

基于可靠性的柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的研究

给出了一种基于可靠性柔顺机构几何非线性拓扑优化设计的新方法。其目的是将可靠性分析集成到几何非线性拓扑优化中。首先,建立增量形式平衡方程,采用Total-Lagrange描述方法和Newton-Raphson载荷增量求解技术求解几何非线性的结构响应。其次,考虑几何尺寸及作用荷载大小的不确定性,建立柔顺机构多目标拓扑优化数学模型。目标函数以平均柔度最小和几何增益最大来满足机构的刚度和柔度需求。可靠度的概率约束采用一次可靠度方法计算。目标函数敏度分析采用伴随求解技术,拓扑优化采用SIMP材料插值方法,并用移动渐近方法进行迭代求解。最后以柔顺微夹钳的可靠性拓扑优化为例,说明本文所提方法的正确性和有效性,研究结果表明基于可靠性拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构更合理。     

基于可靠性稳健优化设计的齿轮轮齿修形量

在可靠性高阶矩理论基础上,将优化设计、灵敏度设计与稳健设计相融合,建立了圆柱齿轮传动的齿轮修形参数可靠性稳健设计模型,提出了一种以修形参数为设计变量,以修形参数的灵敏度和齿轮质量为目标函数的圆柱齿轮优化修形方法.从可靠性稳健设计角度解决了齿轮修形参数确定方法的问题.研究了轮齿修形参数的改变对齿轮传动可靠度的影响,通过计算机程序进行验证并获得了理想的数值计算结果.数值算例表明所提出的方法是一种非常方便和实用的改善轮齿修形量的方法,为确定齿轮轮齿最佳修形量提供了一种理论依据.     

基于可靠性的结构优化设计

建立以重量为目标函数的平面刚架优化模型,对结构进行基于可靠性的优化设计,可靠指标的求解采用JC法,优化算法采用约束变尺度法,最后给出平面刚架计算实例,结果表明了方法的有效性。     

钢筋砼框架结构的可靠性优化设计研究

提出了一种融结构可靠性分析与结构优化设计于一体的钢筋砼框架结构的可靠性优化设计方法。利用优化技术对传统的概率网络估算技术（PNET）进行改进,通过考虑代表机构之间的相关性,使寻找代表机构和计算结构体系失效概率的方法得到了简化。在分部优化策略的基础上,导出了钢筋砼梁、柱结构可靠性的约束公式,建立了钢筋砼框架结构基于可靠性优化设计的。设计计算结果表明,这种方法实现了结构设计的安全性和经济性的平衡,不仅适用于钢筋砼框架结构,而且还可用于其他钢筋砼结构。