機械零部件時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計若干問題的研究.pdf

1、從人們對可靠性認識、研究、發(fā)展、到今天的應用，幾乎都是處在靜態(tài)力學模型基礎上進行的可靠性研究，都屬于靜態(tài)可靠性范疇。由于動態(tài)可靠性問題遠比靜態(tài)可靠性問題復雜得多，故迄今為止所看到的絕大多數可靠性設計模型都是采用確定的力學模型，而且已經研究得很成熟了。實際上，對于機械零部件來說，由于其自身的材料性能、所處環(huán)境情況、使用時間、荷載效應的變化以及其它各種因素的影響，其可靠性指標一般會隨使用時間的增加而出現逐漸減弱的趨勢，這一可靠性指標逐漸減弱

2、的過程是一個動態(tài)時變過程，所以機械部件的可靠度、靈敏度及穩(wěn)健設計也就應該考慮時間因素，也是個動態(tài)時變過程。因此建立時變可靠性模型是更接近實際工況的，對準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用價值。本文以“十一五國家科技支撐計劃中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”以及沈陽發(fā)動機設計研究所和東北大學聯(lián)合進行的“大型轉子系統(tǒng)的可靠性靈敏度設計”項目為背景，將可靠性、可靠性靈敏度及可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計等理論應用到機械零部件設計中，建

3、立了機械零部件的時變可靠性設計數學模型，對相應的零部件進行了時變可靠性設計、時變靈敏度設計和時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計，并獲得了較好的數值仿真結果。本文具體研究內容如下：
　　 (1)應用順序統(tǒng)計理論和隨機過程建立了隨機載荷作用下機械零部件時變可靠性的功能方程模型，利用二階矩和隨機攝動方法求出可靠性指標并計算出動態(tài)時變可靠度。研究了機械零件強度、載荷、可靠度和失效率隨時間的變化規(guī)律，研究表明，當強度退化時，零部件的可靠度隨使用時間的

4、增加而逐漸降低；零部件的失效率隨使用時間的增加而逐漸增大，且具有“浴盆”曲線的特征。通過實例計算得到了可靠度和失效率隨時間變化的動態(tài)過程曲線，對機械零部件試驗時間和可靠壽命的確定具有一定的指導意義。
　　 (2)以可靠性設計理論與靈敏度分析方法相結合，以時變可靠性數學模型為基礎，建立了機械零部件時變可靠性靈敏度設計的計算方法，給出了可靠性靈敏度的變化規(guī)律，研究了設計參數的改變對零部件可靠性的影響，為機械零部件的可靠性設計提供了理

5、論依據。
　　 (3)原有靈敏度公式在功能方程線性或非線性不強的情況下是實用的。若在強非線性情況下，采用差分或攝動計算來代替微分時，參數或設計變量的變化量取的過大或過小都會影響可靠性靈敏度分析的精度，甚至會給出完全錯誤的信息。對于此問題，本文對原有靈敏度公式進行了修正，推導出了時變可靠性靈敏度和任意分布參數下的時變可靠性靈敏度公式，并給予了證明。結果表明修正公式是嚴謹的，對功能方程為強非線性的情況也是適用的。
　　 (4

6、)機械零部件可靠性穩(wěn)健設計是建立在可靠性設計和可靠性靈敏度設計基礎之上的，因為可靠性和可靠性靈敏度設計都與時間有關，所以穩(wěn)健設計也應與時間有關，是個時變穩(wěn)健設計過程。本文結合時變可靠性模型、時變可靠性靈敏度設計和可靠性優(yōu)化設計，提出了機械產品時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計的工程設計方法，通過本文建立的穩(wěn)健設計與時間的關系曲線可以迅速準確地得到機械零部件在任意時刻的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計信息。
　　 (5)本文采用隨機攝動方法、Edgewor

7、th級數方法及相應的經驗修正公式，提出了具有任意分布參數的機械零件的時變可靠性設計、時變可靠性靈敏度設計和時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計方法，發(fā)展了具有任意分布參數的機械零件的可靠性設計理論。在基本隨機參數的前四階矩已知的情況下，通過計算機程序可以實現具有任意分布參數的機械零件的時變可靠性設計、時變可靠性靈敏度設計和時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計，迅速準確地得到具有任意分布參數的機械零件的時變可靠性穩(wěn)健設計信息。
　　 (6)對結構和工況復雜，