基于精確解耦和高效抽樣的可靠性設計優(yōu)化關鍵技術研究.pdf

1、基于可靠性的設計優(yōu)化在保證產品滿足安全指標的前提下，針對產品的體積、質量、剛度等特性參數進行設計優(yōu)化。它充分考慮了產品設計過程中不確定性因素對產品性能的影響；并合理權衡產品功能特性和產品可靠度之間的關系。隨著人們對現代產品質量要求的不斷提升，產品的設計已經不僅僅限于滿足性能要求，基于可靠性的設計優(yōu)化已經成為飛機、運載火箭、高精密機床、船舶等復雜產品的設計保證手段，更是提升國家國防實力和綜合設計科技水平的強有力推進劑。雖然國內外都在積極開

2、展這方面的實際工程應用研究，但基于可靠性的設計優(yōu)化仍然存在諸多問題，如可靠性分析與優(yōu)化雙循環(huán)模型定量解耦問題，復雜產品可靠性設計的偏移向量優(yōu)化問題，可靠性設計優(yōu)化中多設計點模型求解問題，可靠性設計優(yōu)化高效抽樣問題等。
　　本文圍繞上述問題開展深入系統(tǒng)的研究，力求將可靠性設計優(yōu)化更有成效地運用于復雜機械產品的設計當中。本文針對傳統(tǒng)可靠性理論存在的解耦過程效率低下，求解結果缺乏精度，且無法適應多設計點等問題進行深入地分析，提出一系列解

3、決方法；同時將針對可靠性設計優(yōu)化方法在工程應用當中存在的計算成本較高的問題，研究基于克里金模型的序列抽樣方法，并提出適應于工程應用的可靠性設計優(yōu)化的高效抽樣方法。本文主要工作如下：
　　（1）可靠性分析與優(yōu)化雙循環(huán)模型自適應解耦方法。傳統(tǒng)可靠性設計優(yōu)化方法的雙循環(huán)嵌套結構具有計算效率低下等缺點，而解耦方法是提高計算效率的有效手段。它將可靠性分析和設計優(yōu)化兩個循環(huán)相互耦合，序列進行；然而在可靠性分析環(huán)節(jié)以及設計優(yōu)化環(huán)節(jié)，如何構建解耦

4、模型，將直接影響可靠性設計優(yōu)化的求解精度和計算效率。本文將研究快速進行概率約束可行性檢查的方法，針對不同可行狀態(tài)的概率約束自適應地選擇不同求解精度的可靠性分析方法，從而有效地提高可靠性設計優(yōu)化解耦方法的求解效率。
　?。?）針對可靠性設計優(yōu)化的偏移向量優(yōu)化方法。偏移向量的精度將直接影響解耦方法求解的效果，因而它在可靠性設計優(yōu)化解耦方法中起著至關重要的作用。本文針對傳統(tǒng)方法所求解的偏移向量精度低下的問題進行研究，提出新的可靠性分析模

5、型。該模型利用概率約束的極限狀態(tài)方程求解最大可能失效點，即便是對于高度非線性的概率約束問題也可以求解出高精度的偏移向量，從而保證了整個可靠性設計優(yōu)化的精度，并加快了迭代收斂的速度，降低了計算成本。
　　（3）可靠性設計優(yōu)化中多設計點模型的求解方法。傳統(tǒng)的可靠性分析方法和解耦方法都假定單一概率約束只存在一個最大可能失效點，而在工程實際當中概率約束同時出現多個最大可能失效點的情況是很常見的。比如設計空間屬于狹長區(qū)域，或者隨機變量的方差

6、較大等情況都會造成多個最大可能失效點的存在。本文依據可靠性優(yōu)化過程中不同迭代循環(huán)中所獲得的設計點的軌跡進行分析，從而有效地識別出概率約束所具有的設計點的數量；同時本文從可靠度指標的定義出發(fā)，將該類概率約束看作為設計點相同數量個約束，從而保證了可靠性設計優(yōu)化求解結果的可行性。
　?。?）基于克里金近似模型的可靠性設計優(yōu)化局部自適應抽樣方法?；谔娲Ｐ偷目煽啃栽O計優(yōu)化是目前基于不確定性的工程設計方法發(fā)展的必然趨勢，尤其是克里金模型因

7、其獨特的性能而得到學者們的廣泛認可。序列抽樣技術能夠極大地提高近似模型擬合的效率，從而降低整個可靠性設計優(yōu)化的計算成本。本文利用局部抽樣窗口的思想，首先將局部抽樣窗口選取在當前優(yōu)化解附近，然后在局部窗口內優(yōu)先對極限狀態(tài)邊界進行擬合；從而有效地提高了序列抽樣的效率。
　?。?）基于顯式目標函數的可靠性設計優(yōu)化重要邊界抽樣方法?；诳死锝鹉Ｐ偷目煽啃栽O計優(yōu)化方法的計算效率與克里金模型擬合樣本點位置的選取有直接關系，因而如何制定抽樣過程