47200字硕士毕业论文工业机械随机参数与结构可靠性研究
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：47200字
论点：可靠性,设计,方法
论文概述：
文中对随机参数结构在随机载荷作用下的结构分析、可靠性分析和优化设计等问题进行了研究。以析架结构为对象进行结构分析，同时考虑结构材料的物理参数、结构的几何尺寸和作用载荷等
论文正文：
工业机械随机参数与结构可靠性研究
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与十个电子系统的可靠性问题相比，机械和结构的可靠性问题要复杂得多。因此，机械结构系统的可靠性理论和方法仍在探索和发展中。
迄今为止，可靠性理论已经逐渐渗透到航空空、航空航天、机械、建筑、造船等工业部门，客观可靠性的思想和方法已经逐渐被工程师和技术人员所认识和掌握。从最复杂的航天飞机到最简单的圆珠笔，从巨大的工程结构到微小的心脏安装器，都提出了明确的可靠性要求。
随着各种高科技项目的快速发展，众多精密仪器设备和超大型复杂工程结构相继问世，这将对机械结构系统的可靠性理论和方法提出新的挑战，创造新的发展机遇。
工程实践中存在许多不确定因素。根据物理意义和生成机制的不同，这些不确定性可以分为随机性、模糊性和未确知性。
随机性是由不充分的十个条件造成的，这阻止了条件和事件之间不可避免的因果关系。结果的离散性，即事件结果的不确定性；模糊性是事物发展过程中的中间过渡状态的结果，即事物之间的差异在中间过渡中表现出相同的特征，这表现在被排除的中间法则缺陷导致事物边界不清。未确知是指当人们认识客观事物时，由于证据不足以确定事物的真实状态或数量关系而产生的主观认知的不确定性。
在实际工程设计中，针对上述不确定性形成了不同的研究和处理方法，并产生了相应的可靠性设计理论。
十种随机性的数学方法包括概率论和随机过程，它们用随机概率来描述。用模糊数学对这十种模糊性进行研究和处理，并用模糊隶属度进行度量。对于第十个项目中的未确知信息，处理方法包括专家评价或主观概率和主观隶属度分布。
近年来，由于十个国家严重缺乏统计数据，一些学者认为集合模型可以用来描述问题的不确定性。从}fn，一个更有趣的非概率可靠性研究课题已经形成。这种模型在一些新兴的科技领域有着广阔的应用前景。因此，近年来，对十大不确定性的可靠性研究逐渐形成了与随机可靠性和模糊可靠性研究三方对抗的趋势。可靠性研究的发展
自可靠性定义确立以来，世界上出现了可靠性设计的新理论、新方法和新技术。从}fn开始，设计水平和速度都有了很大提高，并计划广泛应用于各种工业领域，如十航空公司空、航空航天、冶金、石油、化工、造船、铁路、医疗、运输、食品加工等。它的快速发展和广泛应用远远超过一般应用科学的水平。
1965年，国际电子技术委员会成立了可靠性技术委员会TC-56，负责管理可靠性的术语和定义、数据确定方法以及各国之间可靠性的数据表示。自20世纪60年代以来，科学和航空航天技术的发展提高了可靠性的研究水平，扩大了其研究范围。可靠性研究已经从电子、航空空、航空航天和核能等先进工业部门扩展到电机和电力系统、机械设备、电力、民用建筑、冶金和化学工业等部门。可靠性的应用也从复杂航天器的设计和推广延伸到日常生活中机电产品的设计，贯穿于十种产品的开发、研究、设计、制造、测试、使用、运输、储存、维修和维护。这为可靠性的发展提供了稳定的动力。在产品设计中引入10可靠性设计，保证和提高了产品的可靠性水平，大大提高了产品的综合性能，增强了产品的市场竞争力。
可靠性理论是一门以产品生命特征为主要研究对象的综合性边缘学科。它涉及基础科学、技术科学和管理科学的许多领域。十结构可靠性学科自诞生以来取得了长足的进步:从十概率理论的随机可靠性到十模糊理论的模糊可靠性和近年来提出的非概率可靠性，丰富和完善了该理论，渗透到各个学科和领域。它的应用改进了传统的可靠性设计理论，大大提高了结构和产品的质量。因此，它们受到了国内外学者的极大关注和重视。
近50年来，机械设计领域出现了许多现代设计方法和相应的科学研究。目前，计算机辅助设计、优化设计和可靠性设计在理论和方法上都达到了一定的水平，在应用中取得了一定的经济效益。它们的出现对整个机械设计学科和机械设计实践产生了非常深远的影响，使得过去许多困难的设计问题都有了重大突破。可以说，它们正在引起机械设计领域的重大变化，并越来越受到人们的重视。随着世界科学技术的飞速发展，机械可靠性设计出现了新的局面，大大提高了设计水平和速度。特别是对于十个结构复杂、使用条件要求高的产品，改变了设计难度大的Ifn无法设计或设计质量低、周期长的局面。只有充分发挥可靠性设计方法的优势，才能提高设计水平，增强产品质量，降低产品成本，缩短设计周期。随着现代工业技术的快速发展，机械产品变得越来越复杂、大型化和高度参数化，对各种产品的要求越来越高，增加了产品失效的几率，灾难性事故也时有发生。例如，1985年8月，海南航空123航班的波音747坠毁，造成520人死亡。1986年1月，美国挑战者号航天飞机(Challenger)爆炸，因为火箭助推器中的橡胶密封因低温Ifn而失效，导致全部7名宇航员死亡，并造成重大经济损失。各种故障不仅威胁航空空工业，还威胁造船、桥梁、运输、动力机械、化工机械、工程机械等。对十台机械中的曲轴、连杆、齿轮、轴承和焊接铆接等部件的损坏事故更是无法统计。值得一提的是，1969年7月阿波罗号(APOLLO)宇宙飞船成功登陆月球，有720万个部件，来自120所大学和15000个单位的42万人参与了开发。开发的零件可靠性高。有时，一个部分的失败可能导致整个系统的失败，导致灾难性的后果。登月成功后，美国宇航局将可靠性工程技术列为两大技术成就之一。可靠性工程技术在民用产品中的推广应用取得了巨大成功。奥罗托机电产品畅销全球，主要是因为其质量好、可靠性高。
与国际机械可靠性的先进水平相比，我国对机械可靠性技术的研究仍处于探索的初级阶段。企业的可靠性管理体系还没有基本建立，可靠性设计技术还没有在设计部门得到广泛应用。可靠性水平的缓慢提高和可靠性设计能力的低下主要是由于有限的十种可靠性工程理论的发展和传播以及工程设计人员对可靠性设计方法的理解和掌握。长期以来，我国大多数机械产品企业缺乏系统完整的自主开发能力，形成了空白色的可靠性核心技术，甚至成为机械制造业的一个非强国，这将直接影响我国经济的快速发展。
1.1.2可靠性优化设计研究的进展[/BR/]可靠性优化设计方法随着现代科学技术的发展而逐渐扩展}fn。这是从传统优化设计方法发展而来的一种相对较新的设计方法。它将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合起来。一方面，可靠性优化设计以可靠性要求为追求目标。另一方面，可靠性要求作为可靠性优化设计的约束条件。运用现代优化方法，得到了概率意义上的最佳设计的数值计算方法。从总体结构设计的角度来看，可靠性优化设计方法比传统的优化设计方法更合理。该方法应用于实际工程实践，可明显提高结构设计质量，并带来可观的经济效益。因此，对其进行分析和研究已成为国内外学者积极探索和研究的重要课题之一。
可靠性优化设计始于20世纪60年代初。希尔顿和费根是第一个提出10基地可靠性最小重量优化公式的人，这就从Ifn开始了可靠性优化设计的研究工作。后来，许多学者在这一领域做出了重要贡献。针对工程中具有随机设计参数的优化设计问题，查尔内斯和库珀首次提出了随机规划方法。此后，这一理论被广泛应用于结构安全设计。文件f2-=}1直接利用随机因子法获得结构的可靠性指标，利用该指标建立可靠性优化设计模型，考虑应力和位移可靠性约束，然后利用现有的优化算法求解。为了提高优化的收敛速度，参考[4]分析了系统可靠性指标的灵敏度，然后以可靠性指标为约束函数建立了优化模型，并利用混合遗传算法优化了结构的权重。文件[f5l]建立了一个优化设计数学模型，以杆的横截面积为设计变量，以结构质量的平均值最小化为目标函数，以及刚度和强度可靠性约束。文献[f}l以模糊允许值为条件，计算了结构广义可靠度公式，建立了以杆件截面为设计变量、结构最小平均重量为目标函数、结构模糊位移和单个模糊强度的广义可靠度为约束条件的优化数学模型。文献中提出了一种改进的安全指数法。该方法计算效率高，精度高，特别适用于解决大型复杂结构的可靠性优化设计问题。文献[fgl]建立了考虑模糊性和随机性的优化设计的合理数学模型，可将其纳入可靠性分析领域的最新研究成果和十个实际工程应用中。
文献提出了一种用模糊变量描述结构不确定性的基本十能级可靠性优化设计方法。文件\" } o \"建立了基于随机模糊性的结构优化设计概念和方法，并将其应用于十种结构的抗震设计。文献“川”提出了一种基于十个概率密度函数矩不等式的切比雪夫点方法。该方法不仅保证了概率计算的准确性，而且克服了一阶二阶矩法的不准确性和广义仿真优化方法计算量大的缺点。文献“} a”研究随机结构的动态优化设计问题，建立了固有频率、频率禁区和振型位置可靠性约束下结构动态优化设计的两个数学模型。文献“3”提出了基于十个随机有限元的结构可靠性优化设计方法，并获得了考虑强度、位移和固有频率约束的结构可靠性优化设计数学模型。
文件“‘1’5”全面综述了近年来国内外可靠性优化设计方法的研究。从结构动力特性优化、结构动力响应优化、结构动力灵敏度分析和基于
10可靠性的结构动力优化设计四个主题方面，重点阐述了结构动力优化设计研究的发展和现状，并对结构动力优化研究的未来发展和趋势进行了粗略展望。文献\' \' \']简要介绍了十大研究热点的大系统设计方法，提出了将大系统方法应用于大结构系统可靠性优化设计的策略。文献“‘7’将均匀响应面法与可靠性优化设计有机结合，提出了一种基于十响应面法的可靠性优化设计方法，有效解决了大型复杂结构系统可靠性优化设计中计算量大的问题。文献\'\'\'\'详细阐述了机械零件可靠性优化设计的基本理论和方法。文献“M”系统地介绍了工程随机变量优化设计的原理、方法和应用。
在基础10可靠性的结构优化中，10个可靠性约束是设计变量的组合隐式和概率函数。因此，可靠性约束的处理是可靠性优化设计中不可避免的问题。因此，很难处理它。根据概率原理，文献[20味]提出了一种将随机规划问题转化为确定性规划问题的方法。文件[2\']提出了一种等效显示概率约束的方法。用该方法等效处理后，原可靠性约束由形式约束变为常规约束，但原可靠性的要求实质上没有改变。这种等效处理方法也完全适用于十基十可靠度的结构动力优化问题。随着科学技术的发展，结构优化设计的水平将逐步从低到高，从结构尺寸优化、形状优化、拓扑优化到布局优化的最高水平，包括结构类型优化、非结构质量分布优化、支撑点数量和位置优化等。优化目标将逐渐从单一目标扩展到多个目标。优化后的数学模型也将逐渐多样化和复杂化。除了传统的确定性参数模型之外，还将存在具有区间参数、随机参数、模糊参数、模糊随机参数、模糊和区间参数或多个参数的结构优化设计模型。
1.1.3稳健设计研究的进展[/BR/]稳健设计的思想和方法最早是由日本市场上20世纪20年代著名的质量工程师田口野志博士提出的。自20世纪80年代以来，田口方法在日本市场和欧美工业化国家得到了广泛应用，并产生了巨大的经济和社会效益。这是产品质量设计的又一次重大飞跃。90年代后，稳健设计方法进入机械设计领域。目前，稳健设计方法已经成为一种考虑十种产品质量和成本的工程设计方法。在产品设计中正确运用稳健设计的理论和方法，可以保证产品在制造和使用过程中，或者设计因素在规定的使用寿命内发生微小变化时，产品质量的稳定性。
近年来，随着计算机技术、优化设计方法和计算机辅助设计技术的飞速发展，稳健设计的发展注入了许多新的内容，出现了一些新的研究成果，逐渐形成了现代稳健设计方法。目前，现有的稳健设计方法可大致分为两类:一类是基于经验或半经验设计的传统稳健设计方法，主要包括田口法、响应面法和广义模型法等。一种是基于工程模型和优化技术的工程稳健优化设计方法，主要包括容差多面体法、灵敏度法、变异传递法和随机模型法等。
文件[·[25]使用灵敏度分析理论进行产品的稳健设计，并提出灵敏度分析方法。其基本思想是估计设计变量变化或约束变化对质量性能指标的影响。文件[·[26]
通过最小化灵敏度来研究稳健设计的实现。这种方法的基本思想是通过在设计阶段选择合适的设计变量来最小化产品质量对不确定因素的敏感性，并使产品健壮。这种方法的另一个优点是，它可以设计出允许更大公差的产品，同时具有更低的成本。文件[}2}-2s]将工程模型的稳健性分为两类:可行稳健性，即确保即使存在变化，也能满足设计约束；敏感性稳健性是降低设计对变化的敏感性，建立数学模型来表达定量设计问题。同时指出稳健设计的核心是优化问题。其核心概念是变量和参数的变化导致目标函数和约束条件的变化。稳健设计的目的是减少这种诱发的变化。文献[}2}]提出了基数为10的非概率可靠性理论，将稳健设计和稳健可靠性的思想和方法应用于10个结构的设计，提出了结构稳健可靠性设计方法，将结构设计简化为满足可靠性要求的多目标优化。文件[}}o]以发动机悬置系统的能量解为目标，悬置刚度参数为设计变量，考虑目标函数和约束函数的均值和标准差的变化，构建发动机悬置系统的鲁棒优化模型。文献[}m]构建了考虑目标函数和约束条件对十个悬架刚度参数的敏感性的多目标优化数学模型。针对风荷载和反射面天线结构参数的随机性，提出了随机因素下的机电一体化设计方法。在参考文献[33]中，为了解决设计变量中干扰的不确定性问题，在原始优化数学模型中增加了准则函数和约束函数的灵敏度附加项。文献[·[34-35]提出通过分析不确定因素对约束的影响，使用最大波动分析来计算约束在不确定因素影响下的最大波浪动量，并将变化作为惩罚项添加到原始约束中，以构建两阶段优化数学模型。顶层优化是在原有的常规优化数学模型中增加一个稳健的可行性判断指标，并用二次优化来判断稳健性指标的值。该方法的最大优点是不需要知道不确定因素的概率分布和约束梯度信息。
文件[·[3G]用凸集模型描述了零件设计中的不确定性，用物理规划方法构造了不确定性参数的不满足函数，并为基本物理规划和灵敏度分析建立了稳健的可靠性
优化模型。文献[37]提出了基于十个设计变量灵敏度的稳健设计方法，并基于十个设计变量的灵敏度分析建立了两个稳健可靠性优化设计模型，以生成附加目标函数。文献[提出了机构稳健设计的基本原理和方法
并建立了基于10个随机模型的机构稳健设计数学模型。文件[·[39-40]讨论了具有非正态随机参数的机械零件的可靠性稳健设计。可靠性
灵敏度被集成到可靠性优化设计模型中，可靠性稳健设计被简化为满足可靠性要求的多目标优化问题。根据平面机构的几何约束方程，推导了机构运动精度的误差表达式，建立了牛头刨床机构运动精度失效的极限状态方程，提出了牛头刨床机构运动精度的可靠稳健设计模型。
文件[·[42]介绍了模糊稳健设计的思想，并进行了相应的研究工作。在介绍稳健优化设计概念的基础上，文献[43]提出了一种使用随机模型的稳健优化设计方法。文献[44]研究和讨论了机构系统的性能质量和公差敏感性，并提出了确定机构系统性能质量公差敏感性的方法和确定对公差最不敏感的稳健设计的一般方法。文件[45]提出了一种基于10种制造环境的稳健公差设计方法，该方法能够在公差设计中考虑实际加工环境，确保来自}fn的设计公差的可制造性和稳健性，并提高产品的设计质量。文献[4G]提出了一种有效的数值计算方法，可以快速准确地计算大型复杂结构系统的目标函数和约束函数的变化。文献[47]从基础10质量工程稳健设计、基础10灵敏度分析稳健设计、稳健结构和结构/控制一体化稳健设计四个方面总结了机械稳健设计的发展，最后提出了机械稳健设计需要研究的一些关键问题。文件[48]提出了一种基于十个设计变量灵敏度的稳健设计方法。在本文中，增加了灵敏度分析来生成附加的目标函数。用遗传算法求解得到的多目标优化问题。该方法可以获得对十个不确定因素的干扰不敏感的鲁棒最优解。文件[49]阐明了稳健设计的设计概念，建立了典型稳健设计方法的数学模型，并讨论了稳健设计研究中需要进一步研究的问题。文献[50]将工程结构的稳健优化问题描述为针对目标函数和约束函数的稳健性的双目标优化问题。
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摘要3-4
摘要4[/BR/]第1章导言6-14
1.1导言6-12
1.1.1可靠性研究的发展7-9
1.1.2可靠性优化设计研究的发展9-10
1.1.3稳健设计研究的进展10-12
1.2论文12-14
第二章随机杆结构的有限元分析14 2.3.1结构可靠性分析25[/比尔/] 2.4本章摘要25-28[/比尔/]第3章结构可靠性优化模型28-36[/比尔/] 3.1引言28-29[/比尔/] 3.2结构稳健设计29-31[/比尔/] 3.3结构优化数学模型31-34[/比尔/] 3.3.1可靠性约束的等效处理32-33[/比尔/] 3.3.2数学模型 4.2遗传算法的特征和实现37-42
4.2.1遗传算法的特征38-39 [/BR/] 4.2.2遗传算法的实现39-42 [/BR/] 4.3本章概述42-44
第5章示例分析44-52 [/BR/] 5.1示例优化44-49
5.2本章概述第49-52
第6章结论和展望55李兴思，钱凌熙，十概率极限状态结构优化设计[J]。计算结构力学及其应用，1996，13(4): 379-384。
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