機(jī)械零部件時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)若干問題的研究.pdf

1、從人們對(duì)可靠性認(rèn)識(shí)、研究、發(fā)展、到今天的應(yīng)用，幾乎都是處在靜態(tài)力學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的可靠性研究，都屬于靜態(tài)可靠性范疇。由于動(dòng)態(tài)可靠性問題遠(yuǎn)比靜態(tài)可靠性問題復(fù)雜得多，故迄今為止所看到的絕大多數(shù)可靠性設(shè)計(jì)模型都是采用確定的力學(xué)模型，而且已經(jīng)研究得很成熟了。實(shí)際上，對(duì)于機(jī)械零部件來說，由于其自身的材料性能、所處環(huán)境情況、使用時(shí)間、荷載效應(yīng)的變化以及其它各種因素的影響，其可靠性指標(biāo)一般會(huì)隨使用時(shí)間的增加而出現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)，這一可靠性指標(biāo)逐漸減弱

2、的過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)變過程，所以機(jī)械部件的可靠度、靈敏度及穩(wěn)健設(shè)計(jì)也就應(yīng)該考慮時(shí)間因素，也是個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)變過程。因此建立時(shí)變可靠性模型是更接近實(shí)際工況的，對(duì)準(zhǔn)確確定零部件的可靠性信息具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文以“十一五國家科技支撐計(jì)劃中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”以及沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所和東北大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行的“大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性靈敏度設(shè)計(jì)”項(xiàng)目為背景，將可靠性、可靠性靈敏度及可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)等理論應(yīng)用到機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中，建

3、立了機(jī)械零部件的時(shí)變可靠性設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)相應(yīng)的零部件進(jìn)行了時(shí)變可靠性設(shè)計(jì)、時(shí)變靈敏度設(shè)計(jì)和時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)，并獲得了較好的數(shù)值仿真結(jié)果。本文具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)應(yīng)用順序統(tǒng)計(jì)理論和隨機(jī)過程建立了隨機(jī)載荷作用下機(jī)械零部件時(shí)變可靠性的功能方程模型，利用二階矩和隨機(jī)攝動(dòng)方法求出可靠性指標(biāo)并計(jì)算出動(dòng)態(tài)時(shí)變可靠度。研究了機(jī)械零件強(qiáng)度、載荷、可靠度和失效率隨時(shí)間的變化規(guī)律，研究表明，當(dāng)強(qiáng)度退化時(shí)，零部件的可靠度隨使用時(shí)間的

4、增加而逐漸降低；零部件的失效率隨使用時(shí)間的增加而逐漸增大，且具有“浴盆”曲線的特征。通過實(shí)例計(jì)算得到了可靠度和失效率隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程曲線，對(duì)機(jī)械零部件試驗(yàn)時(shí)間和可靠壽命的確定具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 (2)以可靠性設(shè)計(jì)理論與靈敏度分析方法相結(jié)合，以時(shí)變可靠性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了機(jī)械零部件時(shí)變可靠性靈敏度設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，給出了可靠性靈敏度的變化規(guī)律，研究了設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對(duì)零部件可靠性的影響，為機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)提供了理

5、論依據(jù)。
　　 (3)原有靈敏度公式在功能方程線性或非線性不強(qiáng)的情況下是實(shí)用的。若在強(qiáng)非線性情況下，采用差分或攝動(dòng)計(jì)算來代替微分時(shí)，參數(shù)或設(shè)計(jì)變量的變化量取的過大或過小都會(huì)影響可靠性靈敏度分析的精度，甚至?xí)o出完全錯(cuò)誤的信息。對(duì)于此問題，本文對(duì)原有靈敏度公式進(jìn)行了修正，推導(dǎo)出了時(shí)變可靠性靈敏度和任意分布參數(shù)下的時(shí)變可靠性靈敏度公式，并給予了證明。結(jié)果表明修正公式是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，?duì)功能方程為強(qiáng)非線性的情況也是適用的。
　　 (4

6、)機(jī)械零部件可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)是建立在可靠性設(shè)計(jì)和可靠性靈敏度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上的，因?yàn)榭煽啃院涂煽啃造`敏度設(shè)計(jì)都與時(shí)間有關(guān)，所以穩(wěn)健設(shè)計(jì)也應(yīng)與時(shí)間有關(guān)，是個(gè)時(shí)變穩(wěn)健設(shè)計(jì)過程。本文結(jié)合時(shí)變可靠性模型、時(shí)變可靠性靈敏度設(shè)計(jì)和可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了機(jī)械產(chǎn)品時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)方法，通過本文建立的穩(wěn)健設(shè)計(jì)與時(shí)間的關(guān)系曲線可以迅速準(zhǔn)確地得到機(jī)械零部件在任意時(shí)刻的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)信息。
　　 (5)本文采用隨機(jī)攝動(dòng)方法、Edgewor

7、th級(jí)數(shù)方法及相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)修正公式，提出了具有任意分布參數(shù)的機(jī)械零件的時(shí)變可靠性設(shè)計(jì)、時(shí)變可靠性靈敏度設(shè)計(jì)和時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，發(fā)展了具有任意分布參數(shù)的機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)理論。在基本隨機(jī)參數(shù)的前四階矩已知的情況下，通過計(jì)算機(jī)程序可以實(shí)現(xiàn)具有任意分布參數(shù)的機(jī)械零件的時(shí)變可靠性設(shè)計(jì)、時(shí)變可靠性靈敏度設(shè)計(jì)和時(shí)變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)，迅速準(zhǔn)確地得到具有任意分布參數(shù)的機(jī)械零件的時(shí)變可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)信息。
　　 (6)對(duì)結(jié)構(gòu)和工況復(fù)雜，