基于可靠性的多学科设计优化在薄壁梁轻量化设计中的应用研究

针对对车身安全性有重要影响的薄壁纵梁进行优化设计,提出将薄壁梁的设计过程看作是一个需要考虑安全性、静态承载特性与一阶振动模态等方面的多学科优化过程的分析方法。同时,优化设计过程涉及材料、尺寸、焊点的布置等众多参数,传统的确定性优化设计结果往往都收敛于约束边界,而不能满足产品设计的可靠性要求。将试验设计、响应面模型、可靠性理论与遗传算法相结合,构造了基于产品质量工程的薄壁纵梁的可靠性多学科优化设计方法,与传统的确定性优化结果相比较得知,可靠性优化结果不仅较好地满足了轻量化的设计要求,同时也使得薄壁梁的使用可靠性有较大幅度的提高。

集成协同优化策略与性能测量法的多学科可靠性设计优化

为了充分考虑不确定性因素对产品性能的影响,基于分解思想,对传统的三层嵌套循环的多学科可靠性设计优化过程进行解耦,变型为一种顺序执行的单层递归循环过程,提出集成协同优化策略和性能测量法的多学科可靠性设计优化方法.首先采用协同优化策略建立确定性多学科设计优化模型并选用遗传算法进行系统层级优化;然后在协同优化框架下应用性能测量法搜索最可能失效点,进行多学科可靠性分析;最后针对不满足可靠性设计要求的概率约束,采用移动策略及可靠性分析结果重构确定性多学科设计优化模型,直至收敛.数值算例和减速器实例结果表明,文中方法有效,具有实际工程意义.

汽车结构可靠性分析与优化设计研究进展

为研究汽车结构的可靠性,对机械结构分析和设计中的不确定性进行总结,从结构参数不确定性、材料性能参数不确定性和载荷不确定性3方面分析了汽车结构设计变量及其参数的不确定性;对概率可靠性分析和非概率可靠性分析方法的研究进展进行了梳理和综述;列举了可靠性分析方法在汽车结构中的应用;对可靠性的数学模型与算法进行梳理,重点研究了可靠性优化设计在汽车轻量化及耐撞性等方面的应用,并指出了汽车结构可靠性分析与优化设计中的发展趋势。

关于CAD技术在机械可靠性优化设计中的应用研究

机械可靠性优化是机械产品开发的重要组成部分,其优化效果将贯穿于机械产品设计、生产、加工和制造的全生命周期。而将CAD技术应用于机械产品的可靠性优化设计过程中,可以将信息技术与产品设计相结合,实现数据互通,建立信息共享平台,提高机械产品设计效率,有效保证产品质量。本文利用SolidWorks软件完成了销轴的模型创建和应力有限元分析,找到了销轴的结构设计的薄弱点,提高了销轴结构设计可靠性。

涡轮叶片多学科可靠性及稳健设计优化

为了得到一种适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性及稳健性的多学科设计优化方法,将6sig-ma可靠性及稳健设计优化方法与多学科可行方法(MDF)相结合,采用二阶Taylor展开法进行可靠性及稳健性分析,实现了涡轮叶片多学科6sigma可靠性及稳健设计优化。使用Kriging近似模型并不断提高模型精度,解决了多学科可行方法计算量较大的问题。实例分析表明,与确定性多学科设计优化相比,采用该方法得到的涡轮叶片可靠性及稳健性均有大幅度提高,同时设计目标最优,满足工程应用的要求,验证了该方法在工程应用中的可行性。

基于可靠性的太阳能飞机多学科设计优化

针对太阳能飞机典型任务要求,建立了以总重最小为目标的多学科设计优化模型,考虑飞行性能、能量、重量3个学科的设计变量和相应约束条件。同时考虑设计变量的不确定性影响,将序列优化及可靠性评估方法引入到并行子空间优化过程中,顺序执行可靠性分析和多学科设计优化以提高执行效率。在优化过程中应用响应面近似并不断提高模型精度,降低了计算成本。利用iSIGHT软件搭建求解平台,以欧洲太阳能飞机"HeliPlat"作为算例,验证了分析模型的合理性和优化方法的有效性。基于可靠性的多学科设计优化框架有望用于更贴合工程实际的太阳能飞机设计。

基于单循环方法的涡轮叶片可靠性及多学科设计优化

为了得到适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性的多学科设计优化方法,将基于单循环方法的可靠性分析(SLBRA)与并行子空间设计优化方法 (CSSO)相结合,提出了一种基于可靠性的多学科设计优化(RBMDO)方法。在优化过程中使用Kriging近似模型并不断提高模型精度。该方法在计算最可能失效点(MPP)的过程中避免了优化迭代,提高了计算效率。以涡轮叶片的设计优化为例,对该方法进行了验证并与传统双循环方法进行了对比。结果表明,优化结果满足可靠性的要求,与双循环方法相比优化效率明显提高,证明了该方法在工程应用中的可行性和有效性。

可靠性优化方法在飞航导弹多学科设计优化中的应用

飞航导弹多学科设计优化(MDO)中,设计变量的不确定性可能降低设计结果的可靠性,传统的MDO方法无法解决这个问题。基于序贯优化和可靠性估计(SORA)的可靠性优化方法将优化设计和可靠性分析有机结合,在优化过程中考虑设计变量的不确定性,并采用单循环形式搜索优化设计结果。通过飞航导弹多学科设计优化的算例,可知基于SORA的可靠性优化方法不仅可以减小设计变量不确定性对设计结果的影响,提高可靠性,还可以有效提高计算效率。

随机与区间不确定下基于近似灵敏度的序列多学科可靠性设计优化

为解决复杂系统多学科可靠性设计优化过程中由于存在多源不确定性和多层嵌套而导致的计算效率低的问题,将近似灵敏度技术与两级集成系统综合策略(Bi-level integrated system synthesis,BLISS)和功能测度法集成,提出一种能同时处理随机和区间不确定性的序列化多学科可靠性设计优化方法。基于概率论和凸模型对混合不确定性进行量化,提出一种随机和区间不确定性下的混合可靠性评价指标,并基于功能测度法建立多学科可靠性设计优化模型。采用近似灵敏度信息替代实际灵敏度值,将近似灵敏度技术同时嵌入多级多学科设计优化策略和多学科可靠性分析方法中,避免每轮循环都进行全局灵敏度信息的分析与迭代,提高了计算效率。基于序列化思想同时将四层嵌套的多学科可靠性设计优化循环和三层嵌套的多学科可靠性分析过程进行解耦,形成一个单循环顺序执行的多学科可靠性设计优化过程,避免了每轮循环对整个可靠性分析模型进行迭代分析的过程,减少灵敏度分析和多学科分析次数。以汽车侧撞工程设计为例,验证了该法具有同时处理随机和区间不确定性的能力,并且计算效率较传统方法分别提高了10.98%和23.63%,表明该法具有一定工程实用价值。

基于寿命与可靠性的离心叶轮多学科设计优化

针对离心叶轮多场耦合服役特点,考虑气动、传热、强度、寿命、可靠性等学科,以及不确定性因素的影响,本文提出了一种离心叶轮多学科可靠性设计优化方法。基于非均匀有理B样条和特征造型设计技术建立了离心叶轮的参数化模型,在耦合信息传递的基础上依次开展气动、传热、强度、寿命分析,实现了离心叶轮的多学科分析;并基于试验设计获得影响气动性能和寿命的主要因素,选取7个主要优化设计变量,以寿命可靠度为约束,等熵效率、总压比等为目标,基于代理模型开展离心叶轮的多学科可靠性优化设计。结果表明:在满足寿命可靠度约束的同时,离心叶轮等熵效率和总压比分别提高了3.4%和6.2%,最大Mises等效应力减小了10.3%。离心叶轮性能的改善证明本文提出方法的有效性。

大口径火炮弹协调器机构可靠性优化设计研究

为提高弹协调器的交弹效率,同时保障协调交弹动作具有高可靠度,开展某弹协调器机构的可靠性优化设计。考虑主要几何尺寸、制造误差、重要构件弹性变形等影响因素,建立某弹协调器的参数化刚柔耦合动力学模型,通过参数化动力学分析,复现协调器的协调交弹动作失效,并建立相对应的功能函数及协调器可靠性优化设计模型。针对协调器可靠性优化模型,为提高优化设计的效率和精度,构建新的Kriging模型自适应更新策略,并与序列二次规划(SQP)方法、功能函数度量法(PMA)/可靠度指标法(RIA)结合,提出协调器机构可靠性优化设计方法。研究结果表明,在协调交弹可靠度满足要求的情况下大幅提高了某协调器的协调效率,也验证了所提方法的有效性和工程价值。

随机与区间不确定性下基于BLISS的多学科可靠性设计优化

为了提高多源不确定下多学科设计优化的效率,提出一种基于两级一体化策略的多学科可靠性设计优化方法。该方法采用一种单级概率可靠性设计优化与基于响应面的BLISS进行集成的策略,将传统嵌套循环的确定性多学科设计优化和多学科可靠性分析进行解耦、形成顺序执行的两个模块,减少了多学科可靠性分析次数和多学科分析调用频率,提高了多学科可靠性设计优化的效率。在多学科可靠性分析模块,采用一种序列化方法进行概率和非概率多学科可靠性分析。最后通过一个实例验证了方法的有效性。

基于代理模型技术的江海直达船体结构可靠性优化设计

为提高船体结构可靠性优化设计这类多参数、高维度、高非线性优化问题的效率,弥补传统船体结构确定性优化设计对影响结构安全不确定性因素考虑的欠缺,本文以一艘江海直达船为研究对象,采用BP(Back Propagation)神经网络代理模型技术,结合SMOTE(Synthetic Minority Oversampling Technique)过采样算法增加极限状态失效面附近样本点数量,实现以较少的样本点获得较高精度的船体舱段结构极限状态代理模型,进而利用蒙特卡洛抽样模拟方法编制船体结构可靠度计算程序,在结构可靠性分析的基础上以降低船体舱段结构重量为目标,采用模拟退火优化算法开展船体结构可靠性优化设计。本文建立了一套完整有效的、基于代理模型技术的船体结构可靠性优化设计系统,有效提高了优化设计的效率,对江海直达船体结构可靠性优化设计具有指导意义。

耦合系统考虑可靠性的多学科设计优化分解方法

为了减少基于可靠性的多学科设计优化的计算成本,提出了一种面向耦合多学科设计优化的分解方法。定义了函数计算成本矩阵来处理可靠性函数的随机性,给出了根据函数随机特征计算函数计算成本矩阵的方法,同时定义了耦合关系矩阵来处理函数之间的耦合性,给出了识别耦合变量集的算法;基于函数计算成本矩阵和耦合关系矩阵提供的信息,改进了整体计算成本等评价指标的度量方法;利用遗传算法进行分解,寻求整体计算成本最小的分解方案;通过电子封装的多学科设计优化算例对上述方法进行了验证,通过与两个已有分解方案的对比表明,该方法能够显著减少整体计算成本。该方法与传统方法相比具有两个优势:一方面可以识别和分解耦合变量,使其能够用于耦合系统的分解;另一方面可以将可靠性函数平均分解到各子任务中,以获得更少的整体计算成本。

复合材料天线罩多尺度可靠性优化设计

针对复合材料天线罩结构优化可靠性低的问题,提出一种多尺度的复合材料结构可靠性优化设计方法。以复合材料天线罩为研究对象,基于有限元法和多尺度仿真建立弹性性能预测模型和天线罩宏观有限元模型,通过等效传输线理论对天线罩电性能进行分析,获取符合电性能指标的铺层厚度区间。由于材料结构和设计变量受不确定性因素的影响,结合Kriging模型、SORA算法和蒙特卡洛仿真法,实现复合材料天线罩的多尺度可靠性优化设计。结果表明:优化后的天线罩在满足透波率和可靠性要求的同时,达到了45.15%的轻量化效果,可为复合材料机身零部件的可靠性优化设计提供指导。

石油装备的可靠性分析与优化设计

伴随经济社会的快速发展,石油资源的需求量进一步上升,石油行业的生产和发展面临全新的挑战。科学技术的进步推进了石油装备的更新,结合石油生产工作来看,涉及到的石油设备较为多样,为保障装备的稳定运行,推进可靠性分析与优化设计显得尤为重要。但结合石油装备的可靠性分析和优化工作来看,还存在基础设施落后、缺乏需求分析、分析指标有待完善等问题,通过转变分析设计观念、推进技术设备更新和加强专业人才培养等策略,能够有效推进石油装备的可靠性分析和优化设计,在未来的石油设备可靠性分析和优化设计中,设计人员需要关注设备的具体功能,深入推进基础设施建设,为设备的运行创造有利条件。本文结合石油行业中的常见石油装备,明确了相关设备的可靠性分析和优化设计要点,并制定了科学的可靠性分析与优化设计策略,旨在为石油行业的发展奠定坚实的基础。

基于可靠性的电动汽车小偏置碰撞轻量化优化设计

电动汽车涉及的高低压系统多且复杂,同时电池的保护要求高,为了提高电动汽车在碰撞安全中的可靠性,文章同时考虑设计变量和试验过程中的参数不确定性,建立了结合正交试验设计、Kriging代理模型、多岛遗传优化算法和蒙特卡洛可靠性分析的可靠性优化设计流程。以一款电动汽车的25%小偏置碰撞开发为例,优化后的白车身结构满足耐撞性要求,优化涉及的白车身相关零件重量降低了7.7%,可靠性达到了95%以上。

基于多学科可靠性优化的控制臂设计

为对悬架控制臂轻量化并保证其性能可靠性,采用了多学科可靠性优化方法。采用悬架多体动力分析方法获得控制臂的边界条件并进行了有限元分析,采用确定性优化方法对控制臂进行拓扑优化;采用Hammersley抽样方法,对拓扑优化后的控制臂进行多学科可靠性优化,得出可靠性优化模型质量比原模型降低了14.9%。与确定性优化相比,可靠性优化模型质量也略有降低,总体刚度及低阶频率都有提高。结果表明,多学科可靠性优化后控制臂满足性能可靠性要求,验证了设计的合理性。

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。

考虑不确定性的隧道工程稳定性分析与可靠性优化设计

不确定性是岩石工程的一个重要特性,对岩石工程的稳定分析、设计与安全施工具有重要影响,而传统的确定性分析与优化设计方法不能考虑岩石工程的不确定性。针对隧道工程中的不确定性,将可靠性理论、实验设计、数值模拟与响应面等方法有机结合,提出一种考虑不确定性的隧道工程稳定性分析与可靠性优化设计方法。该方法通过建立考虑不确定性的隧道工程稳定性分析模型,在此基础上结合可靠性优化设计,建立了考虑不确定性的隧道工程优化设计方法,并将提出的方法结合隧道工程算例进行了分析。结果表明,该方法对隧道工程设计、稳定性分析以及风险分析具有显著指导意义,为隧道工程的不确定性分析提供了一条有效的途径。