多源不确定性结构可靠性分析及优化设计

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导师姓名
苟文选
学科专业
力学
文献出处
西北工业大学   2014年
关键词
多源不确定性论文  概率可靠性论文  模糊可靠性论文  非概率可靠性论文  优化设计论文
论文摘要

不确定性普遍存在于机械(结构)系统当中,其不确定性来源是多方面的,包括客观不确定性和主观不确定性。单一的数学模型不足以对机械系统中的不确定性进行准确而全面的描述。因此开展多源不确定性结构可靠性分析及优化设计方法研究有着重要的理论和现实意义。本文从概率模型、模糊模型、非概率模型等多个角度对结构可靠性设计问题进行研究,建立了一些适用于复杂工程问题的结构可靠性分析方法,在此基础上开展了结构可靠性优化设计和稳健优化设计方法研究,其主要内容如下:1.基于概率可靠性模型,研究基于有限元仿真的复杂结构可靠性分析方法。以导弹吊挂结构为研究对象,基于PCL(Patran Command Language)实现了结构有限元分析参数化。将有限元仿真与可靠性设计理论相结合,开发了基于有限元仿真分析的导弹吊挂结构可靠性分析软件平台。2.基于模糊理论,研究了疲劳失效和共振失效下的模糊可靠性分析问题。采用隶属函数来描述结构疲劳失效的渐变过程,开展了模糊失效状态下的随机结构广义疲劳寿命可靠性分析。以三角型隶属函数来描述结构的模糊共振失效区,建立了三角型隶属函数下的结构广义共振可靠性分析模型。基于分解定理提出了λ水平截集下结构广义共振可靠性求解方法。3.基于凸集模型,针对工程实际中大量存在的“未知但有界”参数的结构可靠性分析问题,建立了一种基于空间填充设计的非概率可靠性分析方法。该方法从非概率可靠性定义出发,以获得不确定性影响下结构功能函数的上下界为目标,基于改进的优化拉丁超立方抽样方法,使更多抽样点移向变量的边界,以达到以较少的样本点填充变量的不确定性空间并快速确定功能函数上下界的目的。该方法简单实用,适用于复杂工程结构及系统的非概率可靠性分析。4.建立了一种基于重要抽样思想的结构非概率可靠性指标求解方法。从非概率可靠性指标的物理意义出发,将非概率可靠性指标求解问题转化为在标准化区间变量的扩展空间中以无穷范数度量的极限状态面上到坐标原点的最短距离问题。在此基础上,利用空间填充设计思想,在变量的扩展空间中找到结构失效域内距离极限状态面最近的点,然后在该设计点附近再进行重要抽样,最后通过寻优判据得到结构的非概率可靠性指标。5.建立了区间、椭球、超椭球三种不确定性变量描述下的结构非概率可靠性分析统一模型。将均匀设计方法引入结构的非概率可靠性分析,该方法克服了传统随机抽样空间填充能力差的缺点,能够将样本均匀填充于结构的不确定性空间,因此大幅度的提升了分析的精度和抽样效率。在此基础上本文将该方法与ANSYS有限元软件相结合,提出了一种适用于复杂工程问题的结构非概率可靠性及参数灵敏度分析方法。6.研究了不确定性结构的优化设计方法及其在工程中的应用。在工程应用方面,建立了基于Matlab优化模块的结构可靠性优化设计技术框架,实现了基于Isight的6σ稳健优化设计和基于ANSYS概率设计模块的结构Taguchi稳健优化设计。在理论研究方面,采用均匀设计方法实现设计空间的均匀填充,基于加点准则建立了具有更好近似精度的Kriging模型,在此基础上基于双Monte Carlo方法,提出了考虑变量和代理模型双重不确定下的结构稳健优化设计方法。

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摘要

Abstract

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景、意义

1.3 研究现状、文献综述

1.3.1 基于概率模型的可靠性分析方法研究

1.3.2 基于模糊模型的可靠性分析方法研究

1.3.3 基于凸集模型的非概率可靠性分析方法研究

1.3.4 结构可靠性优化设计及稳健优化设计方法研究

1.4 本文的研究内容

第二章 概率模型下结构可靠性分析及其工程应用研究

2.1 引言

2.2 基于概率模型的结构可靠性分析方法

2.2.1 Monte Carlo 法

2.2.2 重要抽样法

2.2.3 改进一次二阶矩法

2.2.4 四阶矩可靠性分析法

2.2.5 加权二次响应面法

2.2.6 Kriging 方法

2.3 可靠性分析方法的精度与效率比较研究

2.4 基于 MSC/Patran 的结构有限元参数化分析方法

2.5 基于 PFEA 的导弹吊挂疲劳寿命可靠性分析

2.6 导弹吊挂疲劳寿命可靠性分析软件开发

2.7 本章小结

第三章 模糊模型下的结构可靠性分析方法

3.1 引言

3.2 基于模糊集合理论的不确定性变量描述

3.2.1 模糊集合的截集

3.2.2 模糊集合的常用隶属函数

3.2.3 模糊集合的分解定理

3.3 模糊失效状态下导弹吊挂疲劳寿命广义可靠性分析

3.3.1 基于二次响应面法的导弹吊挂结构功能函数拟合

3.3.2 疲劳寿命失效的隶属函数确定

3.3.3 导弹吊挂结构疲劳寿命广义可靠性分析

3.3.4 吊挂结构疲劳寿命广义可靠性分析结果及讨论

3.4 模糊失效状态下笛形管结构广义共振可靠性分析

3.4.1 考虑状态模糊性时的抗共振设计方法

3.4.2 飞机气热防冰笛形管结构模态分析

3.4.3 随机结构的广义共振可靠性分析

3.5 本章小结

第四章 凸集模型下基于 EOLHS 的非概率可靠性分析方法

4.1 引言

4.2 不确定信息的区间描述方法

4.3 不确定信息下的非概率可靠性指标定义

4.4 基于 EOLHS 的结构系统非概率可靠性指标的求解方法

4.4.1 改进最优拉丁超立方抽样方法

4.4.2 基于 EOLHSD 的结构非概率可靠性分析方法

4.4.3 基于 EOLHSD 的系统非概率可靠性分析方法

4.5 算例分析

4.6 本章小结

第五章 结构非概率可靠性分析的自适应重要抽样方法

5.1 引言

5.2 不确定信息的描述方法

5.3 非概率可靠性指标的定义及其物理意义

5.4 基于空间填充设计的非概率可靠性指标求解方法

5.4.1 重要抽样方法的基本原理-全局搜索和局部搜索策略

5.4.2 空间填充设计方法-均匀设计

5.4.3 非概率可靠性指标求解方法的基本步骤

5.5 算例分析

5.6 本章小结

第六章 结构非概率可靠性及参数全局灵敏度分析方法

6.1 引言

6.2 不确定信息的三种凸模型描述

6.3 基于面积法的非概率可靠性分析方法

6.4 基于均匀设计的结构非概率可靠性及参数全局灵敏度分析方法

6.4.1 凸模型描述下多维空间均匀设计样本点的产生

6.4.2 基于均匀设计的结构非概率可靠性分析

6.4.3 基于秩相关系数的结构参数全局灵敏度分析

6.5 基于 ANSYS 的结构非概率可靠性分析方法

6.6 算例分析

6.7 本章小结

第七章 结构可靠性优化及稳健优化设计方法研究

7.1 引言

7.2 可靠性优化设计方法

7.2.1 基于双循环框架的结构可靠性优化设计

7.2.2 基于单循环方法的结构可靠性优化设计

7.2.3 基于解耦方法的结构可靠性优化设计

7.3 结构稳健优化设计方法

7.3.1 Taguchi 稳健设计方法

7.3.2 基于 6σ稳健设计方法

7.4 基于 Matlab 的结构可靠性优化设计方法

7.5 基于 Isight 的结构稳健优化设计方法

7.6 基于 ANSYS 有限元仿真的结构 Taguchi 稳健优化设计方法

7.7 基于均匀设计与改进 Kriging 代理模型的稳健优化设计方法研究

7.7.1 Kriging 代理模型

7.7.2 试验设计及加点准则

7.7.3 考虑变量及代理模型双重不确定性稳健优化设计方法研究

7.7.4 算例验证

7.8 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 工作总结

8.2 后续工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢

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