基于性能测量法的序列化多学科可靠性分析

针对现存的多学科可靠性分析方法计算效率低的问题,提出了基于性能测量法的序列化多学科可靠性分析方法.该方法将系统分析、系统灵敏度分析和可靠性分析序列化并组成一个递归循环,消除了每次循环迭代中系统级优化器对可靠性分析模型完整的优化计算.系统分析和系统灵敏度分析分别为可靠性分析提供了极限状态函数的值和梯度信息,可靠性分析采用基于改良的先进均值法减少了子系统分析次数.同时,系统灵敏度分析过程中采用全局灵敏度方程执行并行子空间灵敏度分析,提高了可靠性分析的效率.通过两个算例验证了该法具有较高的计算效率.     

基于区域灵敏度及空间多层形貌的车身设计

提出了区域灵敏度分析方法,并通过设定关键区域的区域厚度变量,将灵敏度分析对象由单个零件的厚度变成关键区域的区域厚度变量。提出了基于优化空间重组及灵敏度筛选机制的空间多层形貌优化技术,对零件沿法向正反两个方向进行了结构形貌优化,并将两种方法应用到某车身轻量化设计中。应用实例表明,该方法可以成功地实现关键区域的灵敏度分析,并能大大缩短车辆开发时间优化。     

基于灵敏度分析的三维结构等几何形状优化方法

以等几何分析为数值分析方法,针对三维结构的线弹性问题,以优化边界控制点坐标为设计变量,通过Coons体插值方法得到插值控制点对优化边界控制点的坐标导数,推导了单元刚度矩阵对控制点坐标变量的形状优化灵敏度方程,并对应力灵敏度和位移灵敏度方程进行了推导。数值算例证明该方法具有较高的优化效率,优化结果良好。     

基于局部自然邻近无网格法的形状优化

把自然邻近无网格法中控制方程的局部积分“弱”形式应用于连续型物质导数法灵敏度分析中,使用直接微分法导出了基于局部子域积分方程的连续型灵敏度分析公式,采用自然邻近无网格法对其离散求解,以获得各结点处的灵敏度信息。使用该灵敏度分析方法,把自然邻近无网格法与非线性规划理论相结合,采用约束变尺度序列二次规划法,构建了一种形状优化方法。算例表明,该灵敏度计算方法只使用离散结点信息,计算精度高,无需额外的背景积分网格,优化过程不需要网格重构,具有较高的收敛速度,使用较少的设计变量就可以获得良好的优化效果。     

一种产品退化试验的仿真与优化方法

提出了一种基于性能退化模拟数据的退化试验参数优化方法,该方法适用于已知失效机理并可建立退化数据预测模型的情况。首先采用Bootstrap法建立了可靠寿命置信区间预测模型;然后以可靠寿命置信区间最小为目标,以试验预算费用为约束建立了试验参数的优化模型;接着以某型号武器身管为例,分析了生成模拟退化数据的一般方法,并对身管的退化试验参数进行了优化设计;最后探讨了仿真与优化效果的验证分析方法,通过对相应算例的分析证明了该方法的有效性。     

基于自然坐标建模方法的多体系统设计灵敏度分析方法

经典的自然坐标建模方法消除了欧拉角和欧拉参数,特别适用于多体系统灵敏度分析及优化问题的研究,但由于提供多种广义坐标选择标准,影响了其自动化建模的实施。提出一种基于改进的自然坐标建模方法的多体系统灵敏度分析方法。首先研究一种广义坐标选择方法,引入12个广义坐标来描述一个空间物体的位置和方向。在选定的广义坐标的基础上,推导出刚性约束条件、基本约束单元及多体系统控制方程组的初始条件。考虑到多体系统控制方程组的特点,使用广义-α积分方法求解方程组并给出算法流程。然后,在上述自然坐标建模体系下,研究多体系统一阶直接灵敏度分析方法及其求解策略。最后,为验证所提方法的有效性和精确性,进行平面转子滑块机构和空间曲柄滑块机构灵敏度分析。测试结果与有限差分法所得结果一致,其间偏差不超过3%。该方法不但便于多体系统的自动化建模,而且有助于降低灵敏度分析的复杂性。为多体系统优化问题提出一个实用且有效的灵敏度计算方法。     

基于灵敏度的车门下沉刚度分析及优化

文中将灵敏度分析方法和优化方法相结合,快速有效地解决汽车车门下沉刚度不足的问题。首先在灵敏度方法的相关理论基础上进行灵敏度分析,找出影响车门下沉刚度的灵敏部件,将灵敏部件的厚度作为优化设计变量、车门下沉刚度目标值作为约束、车门部件的重量作为目标函数建立优化模型,运用adaptiveResponseSurfaceMethod优化算法,找出部件厚度的最优值,在满足车门下沉刚度的同时使车门轻量化。     

基于模态应变能及灵敏度分析白车身模态优化

白车身优化过程中,由于板件较多,直接使用模态灵敏度分析的分析对象多且计算量大。本文引入模态应变能分析方法,从而减少模态灵敏度分析对象,提高优化效率。基于模态试验验证的有限元模型,选取模态应变能分析的一阶模态振型下的薄弱位置,缩小模态灵敏度分析的板件范围,再根据灵敏度分析结果对板件厚度进行调整,提高白车身一阶模态频率。最终结果表明,优化后一阶模态频率由15.75Hz提高到了16.50 Hz,同时白车身质量未增加,实现了白车身模态性能提升的同时车身不增重。     

基于灰色系统理论的外圆磨削工艺参数优化研究

针对难加工材料的高精密外圆磨削加工工艺参数优化问题,以磨削工件表面粗糙度和工件圆度均方根值作为试验评价指标,使用正交试验方法对各工艺参数进行试验设计,基于灰色度分析方法对实验各工艺参数进行分析计算优化。实验结果证明了该方法在分析优化磨削工艺参数的有效性和实用性。     

无级变速器减压回路压力脉动关键参数识别及优化验证

针对无级变速器独立液压系统的减压回路，建立液压模型，通过引入Sobol'灵敏度分析算法，在MATLAB/AMESim软件平台上，对减压回路压力脉动衰减关键参数进行灵敏度分析。一阶灵敏度及一阶全局灵敏度的分析结果显示，先导阻尼孔、减压阀节流槽及负载流量（等效负载阻尼孔）对压力稳定性影响最大，二阶灵敏度指标显示节流槽与负载流量间的耦合作用最强。根据分析结果，对实车压力脉动现象进行关键参数响应曲面优化，并通过试验结果说明此分析方法的有效性。     

一种梁结构静态拓扑参数同时优化方法

在渐进结构优化方法(evolutionary structural optimization,ESO)的基础上,提出梁结构的静态拓扑参数综合优化方法。在优化过程中,首先将单元灵敏度计算公式通过截面特性加权变成拓扑参数修改灵敏度分析方法,并提出避免"载荷病态"的灵敏度复合方法来处理多载荷工况。其次将单元根据结构设计要求进行分组,并将可选的梁截面根据属性大小进行编号。最后根据综合灵敏度的大小,修改对应组的梁截面特性编号。将所提的方法应用于某汽车车身轻量化设计中,数值算例表明所提出的方法是有效的。     

基于6Sigma和目标驱动技术的龙门导轨磨床立柱多目标优化

针对龙门导轨磨床立柱的结构特点,构建了龙门导轨磨床立柱的有限元模型,并利用基于6Sigm a原则和目标驱动技术的有限元优化分析方法对立柱进行多目标尺寸优化设计。首先利用基于6Sigm a原则的分析方法对立柱模型进行参数灵敏度分析,获得对立柱性能影响较大的参数,将参数作为优化设计的变量;然后利用基于目标驱动技术的多目标优化方法对立柱进行以质量、最大变形量,一阶固有频率为目标函数的多目标优化,在保证立柱最大等效应力不大于初值的前提下,最大变形量减小45.1%,质量减小3.79%,龙门导轨磨床立柱一阶固有频率提高14.6%。结果表明,该方法具有较强的工程实用性。     

基于Sobol’法的车身噪声传递函数全局灵敏度分析

针对局部灵敏度分析方法不能考虑参数的概率分布、不能适用参数大范围变化及分析各参数之间交互作用等局限,将Sobol’全局灵敏度分析法引入到汽车噪声传递函数的灵敏度分析中。Sobol’法将函数f(x)分解成2n项递增项之和,通过采样计算模型响应的总方差及各偏方差,以求得灵敏度,从而有效避免了局部灵敏度分析方法的缺陷。以某型轿车为例,在建立声固耦合有限元模型的基础上,计算出从悬置点到驾驶员右耳处的车身噪声传递函数,并运用Sobol’法分析出相关板件厚度的一阶全局灵敏度及总体全局灵敏度值,从而甄别出对驾驶员耳旁声压单独影响较大或交互作用显著的板件,为车身噪声传递函数的优化工作提供指导。应用实例验证了该方法的有效性。     

基于试验模态分析的某型号动车组齿轮箱有限元模态分析研究

针对动车组齿轮箱未达到强度破坏极限就已损坏的问题,对动车组的驱动部件也是关键部件的齿轮箱进行有限元模态分析及试验模态分析,提出基于试验模态分析方法上的有限元模态分析,建立了试验模态分析方法的理论模型,并利用齿轮箱的试验模态分析结果来验证齿轮箱有限元模态分析结果的可靠性。研究结果表明,试验模态分析方法与有限元模态分析方法得出的结果非常相近,印证了有限元模态分析方法的可靠性,为掌握该型号齿轮箱的动态特性及优化该型号齿轮箱提供了理论及实验依据。     

系统分解多级优化法及其在结构优化设计中的应用

提出了一种适用于大规模工程系统（如大规模结构系统）优化设计的系统分解多级优化法，该方法的核心是将原大系统的优化设计问题按等级分解成若干个子系统的优化问题，各子系统间通过行为灵敏度及优化灵敏度导数加以耦合，由于每一级的各个子系统相互隔离，故对每一级的各个子系统的分析和优化可并行处理，这一特点可望在大规模工程系统优化设计过程中提高总的计算效率，缩短设计时间，同时优化过程中所产生的行为灵敏度及优化灵敏度导数信息对设计师的定性分析具有指导意义，刚架优化设计算例表明该方法行之有效，具有良好的收敛性．     

随机与区间不确定下基于近似灵敏度的序列

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。     

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。     

基于相对灵敏度分析的自卸车车架轻量化设计

在Hypermesh中建立TY型自卸车车架有限元模型,对车架进行了弯曲和扭转工况下的强度与刚度分析,并通过模态试验验证了有限元模型的准确性。对车架部件进行柔度灵敏度、模态灵敏度和质量灵敏度的计算,基于相对灵敏度分析的结果确定优化设计变量,在保证车架刚度和低阶模态频率的前提下,对车架结构进行轻量化优化。结果表明:优化后车架的强度、刚度和低阶模态频率均有所提高,避免了应力集中现象,车架质量减少70 kg,验证了该轻量化设计方法的可行性。     

基于模态预测及敏度分析的机床动特性设计方法

为了提高机床的动态性能,以机床整机固有频率和频响函数振幅为目标,提出基于机床测试数据、进行试验模态分析及灵敏度计算的机床动态特性设计方法。方法首先提取机床测试数据建立机床结构原型模型,逐步计算机床大件结构和整机的固有频率对刚度、质量的灵敏度,确定结构薄弱环节;继而,对薄弱结构,采用模态预测和灵敏度分析方法设计计算,获取更合理的质量和刚度;之后,将设计分析结果输入LMS_Test.lab软件,借助软件完成对原型结构的模态修改,对修改后结构的动力学特性进行模态预测;最后,进行预测结果模态置信验证,确认模态预测的正确性,完整机床动态特性设计方法体系。将该方法应用于实际机床设计中,对比整机优化前后的频响函数曲线和仿真分析验证均证明,基于模态预测及灵敏度分析的机床动态特性设计方法完成的机床优化设计使得机床固有频率得到提高的同时振幅下降,机床的大件结构及整机的动态性能均有提升。     

基于响应面修正敏度模型的结构可靠性影响因素分析方法

针对实际工况下结构可靠性影响因素复杂多样的特点,提出一种基于响应面修正敏度模型的结构可靠性影响因素分析方法。首先,融合最优多项式响应面函数与Sobol’灵敏度算法,推导出兼顾多影响因素局部与全局灵敏度分析的响应面修正灵敏度模型。并在此基础上,结合耦合因素的试验设计与极差验证、多体动力学分析、结构静力学分析,建立一种结构可靠性影响因素的灵敏度量化分析方法。最后,以典型收割机结构为分析对象对提出方法进行实例研究,研究结果表明脱粒滚筒转速对结构可靠性的灵敏度影响最大,粮仓负载的影响最小,其平均预测精度为97.36%,提出的方法可以实现多种耦合影响因素的灵敏度精确分析,从而为结构可靠性影响因素评估提供了一种思路。