基于响应面法的微操作平台可靠性稳健设计

以一种新型微操作平台为对象,考虑其结构参数的随机波动,提出一种基于6σ稳健设计思想和响应面法的可靠性稳健优化设计思路。采用筛选实验设计方法确定设计变量,采用中心组合试验设计方法建立反映平台性能指标的响应面模型。基于该模型采用一次二阶矩法得到反映平台可靠性和稳健性的性能指标,即平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的概率分布及可靠度。基于6σ稳健设计思想建立以平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的稳健性为目标,平台可靠度为约束的可靠性稳健优化模型,采用序列二次规划法对平台进行优化。将稳健优化和确定性优化结果进行比较分析可知,平台位移放大倍数、固有频率和可靠性灵敏度的方差分别减小了40.9%、49.4%、33.6%,可靠度由61.36%提高到99.78%,实现了可靠性稳健优化的设计要求,说明了设计思路和理论模型的有效性。     

基于概率-凸集混合模型的汽车正面碰撞结构可靠性优化设计

本文基于概率和凸集模型研究汽车正面碰撞可靠性优化设计问题。根据汽车吸能结构厚度、材料参数等不确定参数类型,分别采用概率和多椭球凸模型进行描述,以汽车正面碰撞安全性可靠性指标为约束,考虑汽车吸能结构质量为优化目标,建立了一种基于混合模型的可靠性优化设计模型。采用拉丁方试验设计构造了目标函数和约束函数的Kriging近似模型,利用功能度量法求解可靠度指标值,通过基于移动因子序列优化与可靠性评定将嵌套优化解耦为单层次优化。实际算例表明算法具有较高的计算效率及精度,对实际设计工作有一定参考价值。     

基于遗传算法的复合材料层合板削层结构铺层优化

针对应力变化较大的碳纤维增强复合材料层合板,提出削层结构铺层分级优化模式。通过将结构分解为若干子铺层并对各子铺层的位置、尺寸、铺层数以及铺层顺序进行优化,得到了满足强度和可制造性要求且质量最小的结构设计方案。该模式的第1、2级优化利用参考层对各子铺层位置及尺寸进行优化,第3级优化通过引入3次样条插值参数化方法对各子铺层层数和铺层顺序进行优化。参考层的引入可减少设计变量的数量,3次样条插值参数化方法可解决以铺层角为设计变量时设计变量数目不确定的问题。利用有限元方法对结构进行力学分析计算,并依据Tsai-Wu准则确定结构强度。在第2、3级优化中利用遗传算法对优化问题进行求解。算例计算表明:削层结构铺层分级优化模式结果合理可信。与均匀铺层方法结果比较可知:削层结构可有效减少结构质量。     

基于模糊可靠度的SRC框架结构优化设计研究

基于"投资-效益"准则,建立SRC框架结构的优化数学模型,优化目标包括初始造价及结构失效损失期望最小化两部分。利用加权系数调整两者重要程度。为获得结构失效损失期望值计算结构失效概率;为获得接近实际的失效概率,对SRC框架结构进行模糊可靠度分析,主要内容包括:确定SRC框架结构抗震目标性能水平量化值,建立结构模糊功能函数,提出考虑模糊性Monte Carlo法。将SRC框架结构优化过程调整为含内外两层的迭代过程,外层对优化模型进行计算,内层对结构进行模糊可靠度分析。考虑优化模型中设计变量、约束条件过多、目标函数非线性程度较高等特点,提出适用于SRC框架结构的分阶段优化计算方法。通过对一榀单跨三层SRC框架结构优化设计,表明所提优化方法可获得理想、可靠的设计效果。     

转子系统的频率可靠性分析

根据具有随机结构参数的转子系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了转子系统共振问题的可靠性模式和系统的可靠度,提出了避免转子系统发生共振的频率可靠性分析方法,根据失效准则,定义转子系统共振为串联系统问题,应用随机摄动技术、概率统计方法和可靠性理论,对具有随机结构参数的转子系统共振问题的准失效分析方法进行了探索和研究.     

基于构形度的强震下单层球壳结构倒塌模式优化研究

基于杆系结构构形易损性理论,以构形度标准差最小为目标函数,以构件截面尺寸为优化变量,并考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,建立了单层球壳结构构形度优化模型。将遗传算法和模拟退火算法作为子算法,基于混合策略构造出遗传-模拟退火算法(GASA),并采用自适应策略降低算法对优化参数的依赖性。以跨度70m的单层球壳结构为例,通过凝聚过程分析识别结构存在的构形度不均匀区域。采用GASA算法对该区域的杆件截面进行构形度优化。通过对优化后结构凝聚过程分析和地震动力时程分析,表明优化模型和优化算法可以有效的解决优化变量繁多的大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的优化问题。     

基于可靠性的复合材料定向管优化设计

基于Tsai-Wu失效准则和一次二阶矩法,建立了复合材料定向管强度可靠性分析的方法。应用Python语言实现了ABAQUS 的二次开发,编程将有限元计算程序与可靠性分析方法相结合,并采用多岛遗传算法和序列二次规划算法相结合优化策略,建立了基于可靠性的定向管铺层参数动态优化模型。优化算例表明:在满足强度可靠度条件下,复合材料定向管重量减小了22.5%。     

基于FORM法的小型舵机可靠性优化设计方法

针对传统小型舵机可靠性分析方法存在局限的问题,建立了基于FORM法小型舵机的可靠度评估模型.通过空气动力学仿真计算确定影响舵机可靠性的敏感部位,建立参数化失效模型,确认舵机舵轴与舵面的关键参数,采用FORM法对小型舵机进行可靠性分析,得到可靠度R=0.970 671;为满足设计要求对小型舵机结构进行优化设计,对比优化前的结构,舵轴所受的最大应力由462.5 MPa降低为146.8 MPa,舵轴对力的抵抗能力得到了显著提升.小型舵机可靠度由0.970 671提高到0.999 955,满足关键产品的设计要求,实现了小型舵机的优化设计.     

基于损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化与评估

为避免高层建筑结构由于薄弱层破坏而引起整体倒塌,该文提出基于楼层组损伤控制函数与失效概率的结构抗震性能多目标优化方法。该方法通过增量动力分析选择结构失效概率达到50%的峰值加速度为目标地震动,定义楼层组损伤控制函数及失效概率两个性能指标,以构件截面尺寸为优化变量对结构进行优化分析。对一30层钢筋混凝土框筒结构进行优化,并基于PACT（Performance Assessment Calculation Tool）平台对优化前后结构的抗震性能进行评估。结果表明,优化后结构各层层间位移角分布趋于均匀且自上而下损伤逐渐减小,倒塌储备系数增加29.8%;外框架与核心筒修复费用均降低,墙与框架协同作用加强,优化后结构的抗震性能显著提高。     

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究。在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响。基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题。通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式。基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性。     

单轴力多约束条件下复合材料单向加筋壁板结构效率分析方法

通过建立复合材料单向加筋壁板单元的基本力学假设和计算分析模型,提出了一种多约束条件下进行快速结构效率分析的方法,并利用该方法对典型的复合材料单向加筋壁板进行了结构效率分析和优化,得到了其结构效率随各设计参数的变化趋势和相对最优结构参数。本文方法综合考虑筋条总体稳定性、局部稳定性、结构静强度约束及其之间相互影响,并在基本假设的基础上将复合材料结构离散变量转化为独立的连续设计变量,使得结构力学性能分析和优化分析大为简化,对本文方法所得结果与试验及有限元分析所得结果做了比较,吻合得较好。研究结果为复合材料单向加筋壁板的设计提供了直接参考,具有较好的实际工程应用和参考价值。      

考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化

提出了一种考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化方法。基于复合材料加筋壁板屈曲载荷求解的能量法,系统推导了轴压载荷作用下复合材料加筋壁板蒙皮、筋条局部屈曲载荷的显示表达式,考虑了加筋壁板各板元之间的弹性支持作用及筋条下缘条的影响,引入工程法求解了加筋壁板整体屈曲载荷。基于国产自主结构分析软件HAJIF中的复合材料铺层工程数据库,以铺层参数为中间变量,利用本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法,构建了考虑屈曲的复合材料加筋壁板铺层顺序优化设计流程并完成程序实现,将最小二乘法用于最优铺层顺序与工程铺层数据库的匹配。相比于传统有限元计算方法,本文提出的复合材料加筋壁板屈曲载荷求解方法具备较好的求解精度及求解效率。复合材料加筋壁板优化算例表明,采用本文提出的加筋壁板屈曲载荷分析及其优化方法,在结构重量不变的前提下,屈曲载荷提高约17%,且铺层顺序优化结果可直接从铺层工程数据库中提取并用于工程实际。      

非正态变量情况下基于杂交SAPSO-SFLA的多目标稳健协同优化

为解决非正态变量空间中复杂多变的隐式非线性功能函数的可靠性及灵敏度的问题,融合鞍点估计与线抽样法的优点,结合二分法的特点与黄金分割法的求解效率,提出基于黄金分割二分法的鞍点线抽样法,即可沿重要线抽样方向利用黄金分割点的二分法快速找到各样本点对应于功能函数的零点,将结构失效概率转化为一系列线性功能函数失效概率的平均值,求出相关变量的可靠性灵敏度,从而导出失效概率对变量均值与方差的可靠性灵敏度及结构轻量化的多目标优化问题,并阐明了多目标协同优化的思想。同时,针对可靠性灵敏度作为目标函数因误差导致多目标协同优化难以收敛的问题,提出了利用误差的思想与方法;为提高算法的收敛性,对粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法与混合蛙跳算法(Shuffled Frog-Leaping Algorithm,SFLA)进行改进以后,再将两者进行杂交,提出杂交自适应粒子群优化-混合蛙跳算法(Self-Adaptive PSO-SFLA,SAPSO-SFLA),并用来求解上述多目标优化问题。算例表明：1) 基于黄金分割二分法的鞍点线抽样法在求解复杂非线性功能函数的可靠性及灵敏度时精度高,速度快;2) 与粒子群优化和混合蛙跳算法相比,所提杂交SAPSO-SFLA不仅具有更快的收敛速度,其鲁棒性还能使盾构行星减速器箱体体积减小8.42%。     

基于临界刚度的复合材料筋材多变量优化设计方法

以船舶结构优化设计为背景,针对目前结构安全余量过高导致加筋板板筋刚度过匹配现状,提出板筋刚度匹配临界刚度的概念,推导了板筋刚度比关系式。以T型复合材料筋材为对象,建立优化模型,基于Isight软件平台对设计变量进行灵敏度分析,简化设计变量。采用多岛遗传算法对筋材开展多变量优化设计,结合工程实际在筋材优化结果基础上确定设计方案,并开展复合材料加筋板力学性能试验研究,验证了多变量优化设计方法的可行性。研究表明:利用提出的加筋板板筋刚度比关系式,可以指导板筋刚度匹配设计;对T型复合材料筋材进行优化设计时,提升腹板高度对优化目标影响最明显;在等刚度约束前提下,提出的T型筋材优化设计方案能够较好地实现优化目标,同时保证了较优的经济性。      

Reliability and cost optimization of electronic devices considering the component failure rate uncertainty

The objective of this paper is to present an efficient computational methodology to obtain the optimal system structure of electronic devices by using either a single or a multiobjective optimization approach, while considering the constraints on reliability and cost. The component failure rate uncertainty is taken under consideration and it is modeled with two alternative probability distribution functions. The Latin hypercube sampling method is used to simulate the probability distributions. An optimization approach was developed using the simulated annealing algorithm because of its flexibility to be applied in various system types with several constraints and its efficiency in computational time. This optimization approach can handle efficiently either the single or the multiobjective optimization modeling of the system design. The developed methodology was applied to a power electronic device and the results were compared with the results of the complete enumeration of the solution space. The stochastic nature of the best solutions for the single objective optimization modeling of the system design was sampled extensively and the robustness of the developed optimization approach was demonstrated.     

UUV耐压结构多目标优化设计

UUV(unmanned underwater vehicle,无人水下航行器)在海洋民用与军事领域具有广阔的应用前景。UUV耐压结构作为影响UUV负载能力及保障UUV航行任务安全高效执行的重要部件,其优化设计有重要意义。为了最大程度地实现减重目标,有效平衡耐压结构质量、结构强度和稳定性之间的矛盾,进而提升UUV综合性能,提出一种基于组合加权响应面法的多目标优化方法。通过试验设计得到初始采样点,利用有限元工具计算响应值并构建代理模型;然后,以折衷规划法对子目标进行归一化处理,采用组合加权法设定子目标权重系数,以进行耐压结构的多目标优化设计。以某型UUV为例,利用所提方法对其梯形肋骨耐压结构进行多目标优化设计,优化后耐压结构质量减轻了6.6%,肋骨应力下降了6.7%,同时满足稳定性要求。在此基础上,分别以质量为优化目标和以质量、结构强度和稳定性为综合优化目标,对不同肋骨形式耐压结构进行优化设计。结果表明:梯形肋骨耐压结构的综合优化效果最佳。该研究方法适用于UUV耐压结构的多目标优化,研究结果可为UUV耐压结构优化设计提供理论指导,具有实际工程意义。     

Particle swarm-based structural optimization of laminated composite hydrokinetic turbine blades

Composite blade manufacturing for hydrokinetic turbine application is quite complex and requires extensive optimization studies in terms of material selection, number of layers, stacking sequence, ply thickness and orientation. To avoid a repetitive trial-and-error method process, hydrokinetic turbine blade structural optimization using particle swarm optimization was proposed to perform detailed composite lay-up optimization. Layer numbers, ply thickness and ply orientations were optimized using standard particle swarm optimization to minimize the weight of the composite blade while satisfying failure evaluation. To address the discrete combinatorial optimization problem of blade stacking sequence, a novel permutation discrete particle swarm optimization model was also developed to maximize the out-of-plane load-carrying capability of the composite blade. A composite blade design with significant material saving and satisfactory performance was presented. The proposed methodology offers an alternative and efficient design solution to composite structural optimization which involves complex loading and multiple discrete and combinatorial design parameters.     

基于非线性本构关系的复合材料风机叶片有限元极限分析与设计

为了研究具有三维复杂构形的复合材料风机叶片的逐次破坏过程和极限承载能力, 将复合材料细观力学非线性本构理论桥联模型与有限元软件ABAQUS通过用户子程序UGENS结合起来对风力发电机叶片结构进行极限强度分析。只需提供纤维和基体的材料性能参数、 纤维体积含量以及蒙皮和增强筋的铺层数据包括铺设角、 层厚和铺层数, 就可预报出复合材料复杂叶片结构的整体承载能力以及叶片破坏所处的位置, 为正确评估和合理设计风机叶片结构提供了一种简便有效的分析方法。以一种20kW风机叶片为例, 用此方法实现了新型复合材料叶片结构的极限分析和合理设计, 提高了叶片的强度和刚度, 有效降低了叶片的重量。本文中的方法同样适用于其它复合材料复杂结构的极限分析与强度设计。      

基于元结构的螺杆转子磨床床身动静态特性分析与优化

摘 要：螺杆转子磨床床身是关键的承载大件,其动静态性能的好坏将直接影响整机的加工精度和稳定性。为实现床身的快速动态优化设计,首先基于元结构理论,使用ANSYS软件仿真分析了床身筋格元结构各主要参数对其动态特性的影响。在此基础上,以提高床身低阶模态固有频率和降低床身重量为目标,对床身的结构参数进行优化,同时通过静力分析验证了优化方案的可行性。优化后,床身低阶固有频率得到了较大幅度的提高,其中一阶固有频率提高了22.3%,床身的重量下降了8.39%,同时静刚度也有明显提高,改善了床身的动静态特性,节约了制造成本。该方法对其他类似关键零部件的动态优化设计具有一定的借鉴意义。     

基于鞍点逼近的机械结构可靠性稳健优化设计

将可靠性优化设计理论与可靠性灵敏度分析方法相结合,讨论了机械零部件稳健优化设计的问题.系统地推导了基于鞍点逼近的可靠性灵敏度公式,并把可靠性灵敏度计算结果融入可靠性稳健优化设计模型之中,将可靠性稳健优化设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数概率分布已知的前提下,应用鞍点逼近技术,得到极限状态函数的分布函数与概率密度函数,并且将此结果应用到机械零部件的可靠性灵敏度分析中,进而实现了机械零部件的可靠性稳健优化设计.通过与Monte-Carlo方法计算所得的结果相比可知,应用鞍点逼近技术可以迅速、准确地得到机械零部件可靠性稳健设计信息．