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《山东建筑大学》 2013年
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设计方案评价及结构可靠性稳健设计研究

邱继伟  
【摘要】:概念设计在整个产品设计中占有举足轻重的地位,而概念设计产生的设计方案是多种多样的,如何从众多设计方案中选择最优方案,且评价过程中有效避免主观因素对评价结果的影响将对实际工程有重要指导意义。设计理论和方法在产品开发中的重要作用激发了人们对设计的重视,以至可靠性设计等新理论、新方法不断涌现。对机械结构来说,可靠性指标一般随材料特性、几何参数、工作环境等不确定性因素变化而减弱,所以结构的可靠度、灵敏度及稳健设计都应考虑这些因素。因此建立可靠性稳健设计模型更接近实际工况,对确定机械结构的可靠性信息具有重要的理论意义和工程实用价值。 首先,将公理设计理论、层次分析法和灰色聚类理论相结合,构建了基于灰色聚类和信息公理集成的方案评价模型。该模型利用灰色聚类理论将信息公理评价过程中定性化模糊信息指标定量表达,利用层次分析法对评价指标体系进行合理构建;针对信息公理无法评价定性指标的缺点,利用三角白化权函数对定性指标进行了白化处理。对信息量的计算公式进行了改进,将方案设计范围和系统范围进行扩展,通过比较各备选方案的总信息量来确定最佳方案。该方法有效克服了信息公理中较复杂方案信息含量难以计算的缺点,有效避免了人为主观臆断对评价结果的影响,因而有更广泛的适用性。 其次,利用鞍点估计技术可以无限逼近非正态变量空间中线性极限状态函数概率分布的特点,能有效解决统计资料或实验数据较少而难以确定设计变量的分布规律的问题。将可靠性设计理论、灵敏度分析技术与鞍点逼近理论相结合,以前面可靠性数学模型为基础,系统地推导了基于鞍点估计的可靠性灵敏度公式,讨论了基于鞍点估计法的机械零部件可靠性灵敏度计算问题,为进一步分析机械零部件的可靠性稳健设计奠定了理论基础。 然后,基于随机摄动技术,考虑实际工程优化问题中存在的多失效模式,构建了可靠性优化设计模型,一方面从可靠度对各设计参数的灵敏度的角度去分析,通过控制可靠度对均值和方差的灵敏度提出了基于鞍点逼近理论械零部件的可靠性稳健优化设计方法,本方法应用极限状态函数完整的分布信息进行可靠性分析,避免了繁琐的迭代优化过程,使可靠性稳健设计具有较高效率和精度;另一方面通过对其目标函数和约束条件进行灵敏度分析,生成目标函数和约束函数的灵敏度附加项,提出了两种基于灵敏度附加目标函数的可靠性稳健优化设计模型,该模型突破传统意义上通过控制可靠度对均值和方差的灵敏度来实现机械零部件可靠性稳健优化设计的局限,为机械零部件的可靠性和稳健性水平提供了理论依据。 最后,将Monte-Carlo法与MATLAB结合,在大样本随机抽样的基础上进行机械结构强度的可靠度数值模拟,通过基于鞍点逼近的灵敏度分析方法与蒙特卡罗分析法模拟结果对比,验证基于鞍点逼近的灵敏度分析技术的正确性和有效性。利用MATLAB中矩阵计算以及图像成形程序,直观显示机械结构强度中随机变量变化对失效概率的影响以及对失效概率影响较大的敏感参数。通过基于鞍点逼近的灵敏度分析方法与蒙特卡罗分析法模拟外载荷作用下结构机构随机响应的概率密度函数,进一步说明基于鞍点逼近的可靠性稳健设计方法的正确性和有效性。
【学位授予单位】:山东建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TH122

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【参考文献】
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