一种基于AK-MCS-K的失效概率函数估计方法

针对可靠性优化设计中失效概率函数求解复杂、计算量大等问题,提出一种求解失效概率函数的高效方法。所提方法的基本思路是利用自主学习Kriging方法构造输入变量全空间在失效边界处的局部代理模型,进而通过该局部代理模型结合Monte Carlo模拟法计算在指定分布参数样本下结构的失效概率,然后基于Kriging方法拟合分布参数样本点与对应结构失效概率之间的函数关系,最终建立用Kriging模型表达的失效概率函数的隐式函数。为了检验所提方法的精度和效率,给出了两个算例,对比了所提方法与已有的求解失效概率函数方法的计算结果。算例结果表明,所提方法适用于求解复杂的功能函数问题,并在满足精度要求的基础上显著降低了计算量。

一种顾及方向遮蔽性的高效空间插值方法

反距离权重插值方法在航空航天中有着广泛的应用,但其存在仅考虑距离关系而忽视方位关系的缺点,顾及方向遮蔽性的调和反距离权重插值方法弥补了这种不足,提高了插值精度,但仅适用于平面插值。借鉴该方法的基本假设,根据归一化后样本点的不同空间分布,以平面均匀角和球面均匀角为基准,制定统一的均匀性量化标准,提出一种更具普适性的三维空间插值方法。在搜索插值点的临近样本点时,提出一种最近邻搜索算法,极大提高了插值计算效率。通过测试函数计算发现,与反距离权重插值方法相比,所提插值方法误差显著降低。将所提插值方法应用于某型民用飞机短舱的气动载荷插值,结果表明,所提插值方法兼具高效和高精度的优点。

发动机反推运动机构可靠性优化设计研究

反推装置作为现代民用飞机必不可少的减速系统,承担着飞机降落的重要任务,对飞机的安全飞行至关重要。根据叶栅式反推装置构型及其工作原理,本文建立了反推机构运动学理论模型。通过机构运动学仿真,验证了所建立模型的合理性与正确性。将阻流门在整个偏转过程中的最大角加速度作为优化目标,各部件满足几何运动关系作为约束条件,建立反推运动机构的确定性优化模型。与此同时,考虑反推运动机构的两种失效模式,将可靠性考虑到优化设计中,建立可靠性优化设计模型。在Matlab环境下对反推机构进行优化设计计算,结果表明,在满足可靠性约束的情况下,阻流门在整个运动过程中的角加速度得到了进一步的优化,且整个机构在运动中不出现干涉,整个反推力装置可以正常工作。本文建模流程与可靠性优化方法和结果可以为反推装置结构设计提供参考。

随机激励下的随机结构全局灵敏度分析

为了考察处于随机激励下的结构系统的随机不确定性输入参数对结构动力响应的影响,提出了基于动力响应均值的全局灵敏度指标和基于动力响应方差的全局灵敏度指标。结合这两个指标对随机结构在随机激励下的响应进行灵敏度分析,能够对输入参数的重要性作出合理评估,以便为改善结构设计提供有益指导。为求解所提出的全局灵敏度指标,提出了一种基于点估计的高效方法。该方法将所提出的动力响应灵敏度指标视为均值和方差算子的嵌套,通过嵌套使用点估计的方法进行分解降维。通过对某发动机管路系统的算例分析,验证了上述全局灵敏度指标及其求解方法的工程适用性。

多失效模式下的模式重要性测度及解法

针对工程中普遍存在的多失效模式系统可靠性问题,为提高或改进设计,需要研究失效模式对系统不确定性的影响因素。基于前人提出的基本变量重要性测度,提出了三种模式重要性测度:模式对系统失效概率的重要性测度、模式对系统响应量概率分布的重要性测度和模式功能函数与系统功能函数的相关系数。这三种模式重要性测度从不同的角度反映了失效模式对多模式系统不确定性的贡献。初步讨论了三种模式重要性测度的性质以及其所服务的工程目的,同时给出了模式重要性测度的标准数字模拟求解方法。根据本文提出的模式重要性测度,可以得到模式对系统不确定性的贡献的排序,从而为可靠性设计提供指导。给出了数值算例和工程算例,以说明所提出的模式重要性测度的合理性和可行性。

响应量分布函数对基本变量分布参数的灵敏度函数的新算法

响应量的分布函数能够较好地描述其统计规律,通过研究响应量分布函数对基本变量分布参数的灵敏度函数,能够得到基本变量分布参数对响应量完整分布的影响信息。对于仅包含正态变量的线性功能函数,存在响应量分布函数对变量分布参数的灵敏度函数的解析表达式。为求解一般情况下响应量分布函数对变量分布参数的灵敏度函数,提出基于矩估计的求解算法。该算法利用可靠性灵敏度分析的矩估计方法,以及分布函数与失效概率的关系,将响应量分布函数对变量分布参数的灵敏度函数转化为阈值和响应功能函数各阶矩的近似表达式,通过点估计求得阈值处功能函数的前四阶矩,进而基于四阶矩方法求得阈值处的响应量分布函数对变量参数的灵敏度,通过遍历阈值的取值范围,最终可以得到响应量分布函数灵敏度随阈值变化的完整规律。相比于直接数字模拟法,所提算法的最大优点是在计算不同阈值处的分布函数灵敏度时,不需要重复调用功能函数,利用对一个阈值点处响应功能函数各阶矩和阈值的显式代数运算,即可得到不同阈值处的分布函数灵敏度,提高了计算效率。另外,所提算法不受基本变量分布类型的限制,且适用于多失效模式的情况,其主要缺点在于求解高维变量及非线性问题时的效率和精度尚有待提高。所讨论的数值和工程算例验证了所提算法的可行性。

基于点估计的矩独立重要性测度分析方法

矩独立重要性测度分析能够反映输入参数的不确定性对响应输出统计特征的影响程度。使用传统的数字模拟法计算重要性测度需要大量样本,计算效率低,限制了其在工程问题中的应用。针对这一问题,提出一种高效的嵌套点估计方法计算两种矩独立重要性测度,将传统的双层循环求解转化为单层循环求解,大大提高了计算效率。该方法不依赖随机变量的分布类型,利用随机变量的特征点和权值对重要性测度进行计算,具有良好的适用性和可扩展性。使用所提方法对实际工程问题进行分析,验证了其工程实用性。

基于失效数据的液压系统可靠性和重要性分析

基于无模型抽样理论和态相关参数(SDP)方法,对某型液压系统寿命的可靠性和重要性进行了分析。以分配准则和距离准则为依据,以经验累积分布函数为约束,直接产生与初始样本(N?20,N为样本容量)不确定信息相一致的大容量样本,得到了寿命区间的系统失效概率曲线。针对部件性能对系统寿命可靠性的影响程度,应用SDP方法求解各输入基于方差的重要性测度,得到部件对系统寿命可靠性的相对重要性排序为:电磁阀>柱塞泵>作动筒>油滤>活门>油箱。表明电磁阀对系统寿命可靠性的影响最大;油箱的影响最小。此结果为改进系统可靠性水平提供依据。

失效概率函数的可靠性度量及其求解的条件概率模拟法

结构失效概率为设计参数的函数的求解是可靠性优化中的关键问题。提出一种失效概率函数的高效求解方法及一种新的可靠性度量指标,它为失效概率函数在分布参数空间上的统计特征值。所提方法的主要思路是采用条件概率模拟及三阶最大熵法来求解失效概率函数。条件概率模拟法是引入中间失效域,将所求失效概率转化成条件概率比值与中间失效域的概率的乘积形式,并通过两次马尔科夫链模拟分别对失效域及中间失效域的模拟来得到条件概率的比值。中间失效域为线性形式,其失效概率可容易求得。此外还采用三阶最大熵法来得到失效域样本的条件密度分布,最终得到所求的失效概率函数。结合算例探讨所提方法的精度、效率和适用性,结果表明所提的求解方法在确保精度的情况下具有较高的效率,在工程上是可行的。

响应量分布函数求解的子集模拟方法及其应用

在马尔科夫链Monte Carlo子集模拟法的基础上,提出了响应量分布函数求解的子集模拟方法。所提方法利用子集模拟在计算小失效概率时引入一系列具用较大失效概率的中间失效事件的特点,通过提取引入的每个中间失效事件对应的门槛值和失效概率,求解得到响应量完整的分布函数,并将所求得的分布函数用于基本变量的总效应和主效应分析。在详细给出了响应量分布函数求解子集模拟法的原理和主要步骤后,利用简单数值算例对所提方法的精度和效率进行了验证,结果表明所提方法在效率比Monte Carlo法大大提高的基础上精度也能满足要求。

多失效模式下起落架机构可靠性及灵敏度研究

以某型飞机起落架收放机构为研究对象,建立了其多体动力学仿真模型,得到了其运动时所需驱动力与角度随时间的变化规律。考虑摩擦因数、装配误差等因素的随机不确定性,以及在不同收放次数下铰接处磨损量的变化,针对起落架卡滞失效、定位失效、精度失效3种失效模式建立了可靠性模型。基于自适应Kriging代理模型,对单失效模式和多失效模式串联情况下的起落架收放机构可靠性和灵敏度进行了分析,并给出了可靠性和灵敏度随着起落架收放次数的变化规律。考虑文中给出的随机因素信息时,起落架机构整体的失效概率呈现了先下降后上升的趋势,且不同收放次数下各随机因素对失效概率的影响也不同。所提出的分析方法为起落架机构可靠性评估和设计提供了相应方法。

飞机舱门泄压阀机构磨损可靠性与灵敏度分析

泄压阀机构是飞机舱门的重要组成部分,对维持飞机正常安全运行起到重要作用。在ADAMS软件中建立了飞机舱门泄压阀机构多体动力学仿真模型,研究销轴发生以磨损为主要形式的性能退化时,对泄压阀机构定位精度的影响。建立了泄压阀机构定位精度的功能函数,引入主动学习Kriging代理模型,挑选符合学习准则的点提高代理模型精度。采用Monte Carlo方法计算了不同磨损次数下泄压阀机构的失效概率与3种全局灵敏度指标的变化规律,并给出了不同阈值情况下失效概率和基于失效概率的全局灵敏度指标的变化规律。结果表明:在不同磨损次数下,对于磨损量较大的销轴,其全局灵敏度指标值也较大,并且各项指标随磨损次数的变化规律存在差异。

基于Kriging模型和代理抽样的分布参数不确定性灵敏度分析方法

针对结构系统输入变量分布参数具有不确定性的情况,为衡量分布参数不确定性对系统输出性能统计特征值的影响,以输出期望和方差为例,建立分布参数对输出性能均值和方差影响的全局灵敏度指标。为克服分布参数灵敏度指标计算量大而导致工程实际难以接受的问题,通过建立分布参数和输出统计特征值之间的Kriging模型,解决分布参数灵敏度分析计算量随输入变量及其分布参数维度增加呈指数形式增长的问题,又引入代理抽样概率密度函数对输入变量进行高效抽样,解除求解输出统计特征值时的计算量对输入变量分布参数维度的依赖性。数值和工程算例结果表明,所提方法能够在保证计算精度的同时,大大降低分布参数灵敏度分析的计算量。

面向力学专业背景的可靠性工程课程混合教学模式改革探索

面向力学专业的可靠性工程课程,文章综合分析课程教学现状和特点,提出从优化教学内容、提升教学手段、挖掘思政元素等三方面,对力学专业的可靠性工程课程进行教学模式改革研究与探索。在建设结合力学专业背景的课程教学内容的基础上,研究基于翻转课堂的可靠性工程课程教学方法,同时将融合可靠性专业知识的课程思政元素贯穿于教学过程中,提升可靠性工程课程教学质量,为工科院校的专业课程改革提供参考。

考虑性能退化的飞机典型部件灵敏度分析

为了研究发生性能退化的飞机典型部件对缝翼机构运动精度的影响,以缝翼机构滚轮为典型部件,选取飞机在起降阶段缝翼转过的角度作为系统输出响应,建立多体运动学模型。考虑滚轮的不同磨损情况,基于Archard磨损模型结合随机参数与人工神经网络法,得到缝翼机构的功能函数表达式。使用基于方差重要性测度与基于矩独立重要性测度两种灵敏度分析方法对飞机典型部件进行灵敏度分析,研究了随滚轮磨损量与磨损量变异系数的变化对缝翼机构运动精度的影响。研究结果表明,在飞机机构的设计、使用和检修维护不同阶段采用相应的灵敏度分析方法可以精确识别出系统中随机变量的重要性排序,对系统中灵敏度指标排序较高的变量进行优化设计和重点关注可以有效提高系统的可靠性和稳健性,同时也有效地提高了机构灵敏度分析效率。本文分析方法还可为其他机构系统的设计、使用和检修提供参考指导。

考虑铰接间隙区间不确定性的飞机舱门锁机构可靠性分析

针对考虑铰接间隙的飞机舱门锁机构功能失效问题,研究实用的基于区间模型的可靠性及灵敏度分析方法。采用区间模型表征舱门锁机构各旋转铰接处由于设计、制造、安装、磨损等因素造成的间隙,在Adams和Matlab环境下建立了舱门锁机构可靠性联合仿真模型。引入了区间变量情况下的非概率可靠性指标,并提出用于评估区间变量对机构可靠性影响程度的灵敏度指标。将所提出的非概率可靠性指标和灵敏度分析方法应用于舱门锁机构研究,结果表明,所建立分析方法对工程样本数据要求低、假设少、计算效率高,能够有效评估舱门锁机构可靠性;同时灵敏度分析可以识别出影响舱门锁机构功能可靠性的关键位置,从而为舱门锁机构的改进设计提供指导。

含旋转铰间隙平面运动机构可靠性灵敏度分析

基于时变运动机构可靠性灵敏度分析方法,考虑机构杆件旋转铰间隙对运动精度的影响,发展出一种计算含旋转铰间隙平面运动机构全局灵敏度指标的分析方法。该方法首先基于该种运动机构的误差函数构建其包络函数,进而解析推导其可靠性计算公式,在此基础上结合时变运动机构全局灵敏度分析方法,求得含旋转铰间隙平面运动机构各全局灵敏度指标的计算公式。最后,将本文所提方法应用到两个具体机构算例,所得结果数据与蒙特卡罗法计算结果相比吻合度高,具有较高的精确度;同时,计算成本也大大降低。

基于重要性测度降维的液压管路稳健优化设计

提出一种基于重要性测度的降维预处理优化方法,对不确定环境下飞机局部液压管路系统的稳健性优化问题展开研究。引入区间模型描述随机变量分布参数(即设计变量)的不确定性,引入基于方差的重要性测度衡量设计变量对优化目标的贡献程度,从而筛选出对优化目标影响较大的设计变量,简化优化模型。该方法可以有效降低优化问题的维数,进而减少优化的计算成本。通过数值算例验证了所提方法的合理性和可行性,并采用该方法对飞机局部液压管路系统进行了稳健性优化设计。

石英纤维/环氧树脂复合材料结构静强度的可靠度计算及全局灵敏度分析

以石英纤维/环氧树脂复合材料结构为研究对象,考虑设计参数的随机性,采用全局灵敏度分析理论,研究了各输入随机因素对石英纤维/环氧树脂复合材料结构静强度响应的影响。首先利用MATLAB和NASTRAN的联合仿真得到各输入变量样本值对应的输出响应值,结合自适应Kriging模型构建极限状态函数的代理模型,在此基础上实现石英纤维/环氧树脂复合材料结构静强度可靠度及各输入变量的不确定性对输出响应及失效概率全局灵敏度的计算,得到输入变量的全局灵敏度排序结果,为工程实际中复合材料结构的优化设计提供一定指导。

基于非概率模型的飞机襟翼故障树分析

当系统中各组件的失效概率采用区间模型表征时,可以建立基于故障树的系统可靠性分析方法。该文提出一种非概率可靠性指标,该指标首次将系统安全标准或可靠性要求考虑其中,从而可以合理地评价系统的可靠性。基于非概率可靠性指标推导了用于确定各基本事件贡献程度的灵敏度指标,并将所提方法应用到某型飞机襟翼机构不对称运动故障树分析中。结果显示:所提方法可以合理评估系统可靠性并有效计算各基本事件的可靠性灵敏度,从而为开展系统可靠性优化设计提供参考。