基于精確解耦和高效抽樣的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化在保證產(chǎn)品滿足安全指標(biāo)的前提下，針對產(chǎn)品的體積、質(zhì)量、剛度等特性參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。它充分考慮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中不確定性因素對產(chǎn)品性能的影響；并合理權(quán)衡產(chǎn)品功能特性和產(chǎn)品可靠度之間的關(guān)系。隨著人們對現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提升，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅限于滿足性能要求，基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化已經(jīng)成為飛機(jī)、運(yùn)載火箭、高精密機(jī)床、船舶等復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)保證手段，更是提升國家國防實(shí)力和綜合設(shè)計(jì)科技水平的強(qiáng)有力推進(jìn)劑。雖然國內(nèi)外都在積極開

2、展這方面的實(shí)際工程應(yīng)用研究，但基于可靠性的設(shè)計(jì)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(fù)雜產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的偏移向量優(yōu)化問題，可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化中多設(shè)計(jì)點(diǎn)模型求解問題，可靠性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)優(yōu)化更有成效地運(yùn)用于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)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(jié)果缺乏精度，且無法適應(yīng)多設(shè)計(jì)點(diǎn)等問題進(jìn)行深入地分析，提出一系列解

3、決方法；同時(shí)將針對可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在工程應(yīng)用當(dāng)中存在的計(jì)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(yīng)于工程應(yīng)用的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化的高效抽樣方法。本文主要工作如下：
　?。?）可靠性分析與優(yōu)化雙循環(huán)模型自適應(yīng)解耦方法。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的雙循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)具有計(jì)算效率低下等缺點(diǎn)，而解耦方法是提高計(jì)算效率的有效手段。它將可靠性分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化兩個(gè)循環(huán)相互耦合，序列進(jìn)行；然而在可靠性分析環(huán)節(jié)以及設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)，如何構(gòu)建解耦

4、模型，將直接影響可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化的求解精度和計(jì)算效率。本文將研究快速進(jìn)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(yīng)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(shè)計(jì)優(yōu)化解耦方法的求解效率。
　?。?）針對可靠性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)優(yōu)化解耦方法中起著至關(guān)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(jìn)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(diǎn)，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(gè)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化的精度，并加快了迭代收斂的速度，降低了計(jì)算成本。
　　（3）可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化中多設(shè)計(jì)點(diǎn)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(gè)最大可能失效點(diǎn)，而在工程實(shí)際當(dāng)中概率約束同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)最大可能失效點(diǎn)的情況是很常見的。比如設(shè)計(jì)空間屬于狹長區(qū)域，或者隨機(jī)變量的方差

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

7、其獨(dú)特的性能而得到學(xué)者們的廣泛認(rèn)可。序列抽樣技術(shù)能夠極大地提高近似模型擬合的效率，從而降低整個(gè)可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)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(dāng)前優(yōu)化解附近，然后在局部窗口內(nèi)優(yōu)先對極限狀態(tài)邊界進(jìn)行擬合；從而有效地提高了序列抽樣的效率。
　?。?）基于顯式目標(biāo)函數(shù)的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化重要邊界抽樣方法。基于克里金模型的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的計(jì)算效率與克里金模型擬合樣本點(diǎn)位置的選取有直接關(guān)系，因而如何制定抽樣過程