基于可靠性的结构优化设计方法

本文研究在满足可靠性要求时的结构优化设计方法。首先分析结构的主要破坏模式,对每一个主要破坏模式用可靠性指标表示结构的可靠度。可靠性指标是设计变量的函数,将其线性化,在各主要破坏模式的可靠性指标均满足要求的条件下,使结构重量最小,形成一个线性规划问题。由此解出结构满足可靠性要求的优化设计变量。进而考虑各主要破坏模式的相关性,检查结构的可靠度能否满足要求,并对优化设计变量进行修正。通过算例证实本文提供的方法是在满足可靠性要求时结构优化设计的有效的工程方法。

基于可靠性的结构优化对绞吸船定位桩应用

移船倒桩系统的定位桩结构是大型绞吸挖泥船的重要结构,是绞吸挖泥船在海上作业的基础性定位设施。目前,国内外对移船倒桩结构系统的研究取得了一定的成果,但主要是静动力分析及安全评定方面。本文基于可靠性的结构优化设计研究,结合绞吸挖泥船的实际工作情况,建立了移船倒桩结构定位桩优化设计模型,确立了随机参数模型,以大型绞吸挖泥船移船倒桩结构为例进行了定位桩基于可靠性的优化设计。算例结果显示了基于可靠性的优化是合理且经济的。

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。

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。

不确定性简谐激励下连续体结构可靠性拓扑优化

针对不确定性简谐激励下连续体结构设计问题,提出了一种有效的考虑载荷振幅和频率不确定性的谐响应可靠性拓扑优化方法。建立了概率可靠性约束下结构体积比最小化的可靠性设计优化模型,其中极限状态函数定义为所关注自由度振幅平方和。利用伴随变量法推导了极限状态函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,采用功能度量法实现结构可靠性分析,并基于移动渐进线方法实现设计变量的更新。最后,通过3个数值算例及蒙特卡罗仿真,验证了所提方法对不确定性简谐激励下连续体结构设计问题的有效性和稳定性,并讨论了简谐激励的振幅大小和频率不确定性、可靠度指标及变异系数对优化结果的影响。

风电叶片主梁结构的多尺度可靠性优化设计

针对风电叶片大型化所引起的材料性能不足以及可靠性难以保证等问题,研究了碳纤维复合材料在风电叶片中的应用和主梁结构的优化设计。基于复合材料的多尺度特征,使用代表体积单元(RVE)的均匀化方法预测其等效弹性属性;建立一个主梁结构的参数化有限元分析模型,对其在挥舞和摆振两个加载工况下进行分析;将位移、应力、等效塑性应变等响应作为约束函数,建立以轻量化为目标的可靠性优化模型。结果表明,经过可靠性设计优化后的风电叶片主梁结构满足可靠性和轻量化的要求,且其各部分材料的性能得到了充分的发挥。

动车组横向止挡防脱结构设计优化与可靠性验证

通过对既有高速动车组二系横向止挡进行防脱结构设计、优化选型和可靠性验证,实现了其结构防脱功能,并显著提升其安全可靠性能。首先通过设计出不同的防脱结构型式,在结构设计、制造工艺、质量控制、实际运用和强度仿真等方面进行多维度的安全性对比分析,选出了最优防脱结构设计方案。然后试制出完全无粘接状态的最优防脱结构的样机,通过设计的剪切和疲劳防脱试验对新结构的防脱功能进行了充分的可靠性验证和效果评估。最后试制出合格的粘接状态的样机,并完成了防脱新结构的系列型式试验验证。结果表明,底座采用阶梯孔橡胶柱和摩擦板采用环形凹槽橡胶环的防脱结构在满足现有接口尺寸和性能要求的条件下,能够与原型产品进行对等替换,实现了结构防脱功能且大幅提升了安全可靠性。

结构可靠性拓扑优化的深度学习协同方法

在给定约束条件下,结构拓扑优化以最优化性能获得设计域内材料的最佳布局.传统拓扑优化面临两大挑战:其一,未定量计入参数不确定性的影响,导致优化后结构在服役中常常不满足性能约束;其二,基于有限元模型的拓扑优化分辨率严重依赖于有限元网格.本文以随机参数定量计及固有不确定性,基于顺序优化与可靠性分析实现可靠性优化模型的确定性转化.进一步,基于网络训练与拓扑优化的过程相似性,以深度神经网络表达单元相对密度与网络参数之间的映射,通过构造计及可靠性的损失函数,将拓扑优化过程转换为网络训练过程.算例验证了所提方法获得的拓扑优化结构能够在满足性能可靠性要求的前提下实现较高的拓扑分辨率.

基于可靠性分析与轻量化技术的汽车车身结构优化设计

为了提高车身的可靠性并积极响应当前的双碳策略要求,本文结合可靠性分析和轻量化技术对汽车车身进行结构优化。首先,介绍了轻量化技术和可靠性分析原理,并给出了可靠性优化的数据模型。其次,对车身刚度灵敏度和模态灵敏度进行分析,设计了刚度和模态的多目标优化模型,并以此得到了优化后的车身有限元模型。研究结果表明,优化后的车身在弯曲工况和扭转工况下的刚度值均有所提升,分别达到了6689N/mm和15012Nm/Deg,提升比例分别为4.68%和2.17%。此外,优化后的模型能够达到22.35×106的疲劳循环周次。由此说明,所设计的车身结构具有较好的抗疲劳性以及稳定性,该设计方案能为汽车制造领域提供新的优化方向。

工程车辆薄壁结构振动可靠性优化设计

工程车辆结构设计中常使用薄壁结构。爬梯作为典型薄壁结构件,需承受操作者重量以及路面不平顺和车辆本身结构引起的振动。当爬梯固有频率与路面激振频率重合时,会发生共振现象,此时结构易出现破坏。文章对某型工程车辆爬梯部件进行模态分析,研究其在特定工况下的振动特性,基于计算结果对结构进行优化。结果表明,优化后结构前6阶固有频率避开了路面激振频率范围,结构可靠性显著增强。

基于结构可靠性的混凝土桥梁设计优化研究

如今,在混凝土桥梁设计过程中,资源浪费和模糊的结构性能问题屡见不鲜。因此,本研究提出了一种新的基于结构可靠性的优化方法。研究从具体结构设计和概念设计两个不同角度出发,结合结构可靠性原理,明确了设计目标和最佳优化方向。通过综合运用可靠性理论和优化理论,我们创新地提出了一种混凝土桥梁设计优化方法。该方法巧妙地结合了静度分析和结构可靠性分析,在保障设计最优化的同时,也提供了桥梁可靠性的有效验证。实际应用证明,此方法不仅能够在满足结构可靠性要求的基础上减少材料使用,还能够显著提升混凝土桥梁的性能和质量。这一方法已经为设计工作开辟了新的思路,并在实际应用中展现出显著的价值。

考虑光伏电源可靠性的新能源配电网数据驱动无功电压优化控制

充分挖掘分布式光伏电源的无功支撑能力,有助于解决光伏高比例接入带来的配电网电压波动、电压越限以及新能源消纳等问题,但光伏电源无功输出会造成其功率器件结温越限或剧烈波动,严重威胁到光伏电源的可靠运行。为此,提出考虑光伏电源可靠性的新能源配电网数据驱动无功电压优化控制策略。首先,提出一种基于数据驱动的光伏电源可靠性评估方法,该方法采用XGBoost机器学习模型计算IGBT结温,提高了IGBT结温计算效率,避免了评估精度对IGBT参数的依赖;进而建立考虑光伏电源可靠性的配电网无功电压优化模型,将IGBT结温均值和结温波动引入模型优化目标;然后,将该模型进行马尔可夫决策过程转化,并基于深度确定性策略梯度强化学习算法完成智能体训练;最后,通过IEEE33节点系统验证所提策略在无功电压快速优化和光伏电源可靠性提升方面的优势。

挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度的可靠性及灵敏度分析

以挖补修理复合材料蜂窝夹芯结构为研究对象,考虑胶层性能的不确定性,通过ABAQUS-MATLAB-Python联合仿真,建立挖补修理蜂窝夹芯结构侧向压缩渐进损伤分析模型,得到随机变量与其所对应的输出响应。基于蒙特卡罗法进行可靠性分析,采用基于方差和失效概率的全局灵敏度分析方法进行参数灵敏度分析。结果表明:外载荷在不同数值区间下结构失效概率具有较大差异,在接近极限破坏载荷时失效概率显著增加;胶层厚度方向的弹性模量和面内两个相互垂直方向上的剪切模量对挖补修理蜂窝夹芯结构侧压强度方差和失效概率的影响较大。

生存进化阶段性搜索微粒群算法及其可靠性冗余分配优化应用

为高效解决含有异质冗余的多态系统(MSS)可靠性优化问题,并弥补微粒群优化(PSO)算法易早熟收敛的不足,从作用力方式和种群拓扑结构两方面对算法进行改进。改进PSO算法中单一的作用力方式,设置前后两个搜索阶段,对应两个搜索阶段分别构造平衡引斥力方式和双层引力(个体和全局最优解引力、中间适应度微粒引力)方式,提出阶段性搜索微粒群(SPSO)算法;利用生物个体“择友而交”和优胜劣汰的生存体系构建生存进化(SE)拓扑结构,以结构演化和算法进化并行方式将该拓扑结构融入SPSO算法,提出生存进化阶段性搜索微粒群(SPSO-SE)算法,进一步提升算法的优化性能;利用Benchmark函数对所提算法与PSO的改进算法进行测试对比,结果表明,所提SPSO-SE算法具有更好的寻优能力。采用SPSO-SE算法对串-并联和桥式结构的多态系统的可靠性冗余分配问题进行优化,得到的系统结构费用更低、可靠度更高。

汽车前舱冷却流场可靠性优化模型设计与仿真

针对汽车前舱冷却系统设计的复杂性和设计变量的不确定性,将Chebyshev不确定分析方法引入前舱冷却流场优化设计流程,建立适用于汽车前舱冷却流场的区间可靠性优化设计模型。以某轿车前舱冷却系统为例,引入Chebyshev函数用于结构优化设计。选取冷凝器和散热器的平均流速和气流流量为目标阈值,使用k-ε湍流模型进行有限元分析,结合Chebyshev可靠性分析迭代,对前舱冷却模块进行结构优化,提升前舱冷却流场性能。试验结果表明,通过增大前保吸能泡沫截面和优化风扇扇叶与支架间的间隙可在一定程度上改进前舱冷却流场性能。

基于响应面法的血管支架拉伸、扭转性能优化及考虑加工精度影响的强度可靠性分析

为分析设计变量对血管支架拉伸性能、扭转性能的精准影响,进行血管支架拉伸性能、扭转性能优化,考虑加工精度的影响,进行血管支架的强度可靠性分析。方法:取血管支架支撑筋宽度、支撑筋长度、连接筋宽度和支架厚度为设计变量,应用斯皮尔曼等级相关系数法分析设计变量对血管支架拉伸刚度、扭转刚度等响应变量的精准影响;采用响应面方法进行以拉伸刚度、扭转刚度为目标进行血管支架的优化设计;对优化后的血管支架,考虑加工精度所致设计变量的随机性,利用六西格玛工具分析应力的概率分布。结果:对于血管支架拉伸刚度,支撑筋宽度和连接筋宽度灵敏度系数大,且均为正值;对于血管支架扭转刚度,支撑筋宽度灵敏度系数较大,且为负值;优化后的血管支架相比原始血管支架,拉伸刚度降低了11.5%;扭转刚度减小了50.6%;考虑加工精度所致设计变量的随机性进行可靠性分析,在可靠度为99.8%时,虽然血管支架的拉伸刚度和扭转刚度最大值高于优化值,但血管支架的最大应力满足强度条件。结论:支撑筋宽度对血管支架的拉伸性能影响最大,连接筋宽度次之,支撑筋长度和支架厚度影响较小;支撑筋宽度对血管支架的扭转性能影响最大,连接筋宽度、支撑筋长度和支架厚度影响较小;随机因素加工精度对血管支架优化目标有一定的影响,但优化结果仍是可靠的。本文提供了一种血管支架优化的思路:首先是进行基于目标的优化,然后考虑随机因素的影响进行基于概率的强度可靠性分析。

基于IAOA-SVM模型结构时变可靠性研究

目的为有效解决使用传统代理模型进行结构时变可靠性研究中存在流程复杂、计算效率低等问题。方法提出以改进算术优化算法(Improved Arithmetic Optimization Algorithm,IAOA)优化支持向量机模型(Support Vector Machine,SVM)进行时变可靠性研究的方法,结合IAOA-SVM模型和极值理论,以某塔式起重机回转支承为研究对象,对其进行动态确定性分析获取样本数据,建立IAOA-SVM可靠性模型,采用蒙特卡洛法求解得到其可靠度结果,并与EKM和ERSM算法对比分析其仿真精度和效率。结果当回转支承径向变形许用值为0.278×10^(-3)m时,采用蒙特卡洛法求解得到其可靠度为99.68%,IAOA-SVM模型相比EKM和ERSM方法仿真效率有所提升,建模精度分别提高了10.42%和9.23%。结论IAOA-SVM方法在建模和仿真精度与效率方面具有较明显的优势,IAOA-SVM方法为求解机构时变可靠度难题提供了一种新的解决思路。

基于柔顺性的血管支架优化设计及强度可靠性分析

目的建立血管支架的参数化模型,进行血管支架柔顺性能的优化设计。基于优化结果考虑加工精度引起的设计尺寸的不确定性,进行血管支架强度的概率计算以验证优化结果的可靠性。方法探寻结构特征,建立血管支架参数化模型。取弯曲刚度作为优化目标,血管支架支撑筋宽度、支撑筋长度、连接筋宽度和支架厚度为设计变量,采用响应面法进行血管支架优化设计,选取应力局部灵敏度较低的候选设计点作为最优设计点。基于优化血管支架,取受加工精度影响的设计尺寸作为随机变量,利用六西格玛工具进行血管支架强度的概率计算。结果建立了参数化的血管支架模型,优化后的血管支架弯曲刚度相比原始血管支架减小32.91%,累积分布概率为99.85%时,血管支架最大应力满足强度条件。结论连接筋宽度对血管支架的柔顺性影响最大,支架厚度次之,支撑筋长度和宽度影响较小;加工精度影响下优化血管支架强度可靠。血管支架在工程实际中会受到一些不确定性因素的影响,在进行确定性优化设计之后,要考虑不确定性因素引起的设计变量的不确定性进行强度可靠性分析验证。

基于可靠性的血管支架径向性能优化

目的医疗器械作为一种关系人生命健康的特殊机械产品,可靠性日益受到关注。血管支架作为一种植入医疗器械,径向性能是其一项关键性能,进行血管支架径向性能的可靠性优化设计,可以弥补血管支架传统确定性优化设计对影响径向性能不确定性因素考虑的欠缺。方法取血管支架支撑筋宽度、支撑筋长度和支架厚度为设计变量建立血管支架参数化模型,采用响应面法对血管支架径向支撑力、最大应力、径向回弹率和质量进行优化设计。在此基础上,考虑材料、加工精度等不确定性因素,对确定性优化解的质量水平进行6Sigma可靠性分析与优化。结果建立了血管支架确定性优化和不确定性可靠性优化数学模型;应用克里金响应面近似模型与多目标遗传算法的优化组合方案实现了确定性优化设计;应用克里金响应面近似模型与6Sigma概率分析组合方案实现了血管支架的稳健性评估和可靠性分析,完成了血管支架的可靠性优化设计。结论优化后的血管支架结构不仅满足可靠性要求而且兼顾了轻量化,取得了较好的优化效果。本研究探索建立了一套完整有效的、基于代理模型技术的血管支架结构可靠性优化设计系统,有效提高了优化设计的效率,对血管支架结构可靠性优化设计具有指导意义。

复杂体系可靠性结构分析与建模GERT网络技术

体系各要素(系统)连接的或然性决定了其结构框架、联系逻辑和功能表现的复杂性。复杂体系可靠性结构分析与建模是解构表征其复杂特性的重要手段,是学术界长期以来的研究热点。然而,有关复杂体系可靠性结构、功能逻辑、计算框架的构建问题,却尚未有较好的解决方案。针对该问题,运用结构函数理论和图示评审技术(graphical evaluation and review technique,GERT)建立了一种新的复杂体系可靠性结构分析框架与建模方法。首先,基于“和联”思想建构其基于使命与任务生态联盟、行为演化的可靠性“和联”结构框架;其次,基于复杂体系要素的或然性逻辑联结关系,建立其可靠性结构GERT网络模型;最后,运用GERT解析算法原理,建立其可靠度计算模型,并考虑计算的复杂性,为该类问题提供GERT仿真(GERT simulation,GERTS)计算解决方案。以一反舰作战侦察复杂体系进行案例研究,结果表明所提方法有效且适应性强。