结构疲劳寿命稳健性优化设计

由于材料特性、构件的几何特性、载荷历程和环境条件等随机因素的影响,造成结构的疲劳寿命往往偏离结构的设计寿命.为了减少疲劳寿命的分散性,建立一种结构疲劳寿命稳健性优化模型.该模型将结构优化设计理论和随机有限元法相结合,在考虑设计变量和其他随机变量的变异性对结构疲劳寿命影响情况下,将结构疲劳寿命稳健性优化问题构造成包含结构疲劳寿命均值和标准差的双目标优化问题,并通过权因子来平衡结构疲劳寿命的均值和标准差关系,在约束函数中将结构疲劳寿命控制在最低寿命和最高寿命之间.经疲劳稳健性优化设计后的结构疲劳寿命在其均值处波动较小,而且分布曲线远离疲劳寿命底限.最后通过承受脉冲载荷的平面10杆桁架结构疲劳寿命稳健性优化算例显示了此方法的有效性.     

大客车前碰撞中驾驶员膝部气囊优化设计研究

在大客车前碰撞中,由于前围产生较大侵入变形,极易造成驾驶员下肢损伤。为减少驾驶员下肢损伤风险,设计了一种驾驶员膝部安全气囊,并采用计算机仿真方法对气囊进行了优化分析研究。首先,利用Hypermesh建立12 m大客车的有限元模型,并对其进行正面碰撞模拟,验证了客车模型的可行性,且得到驾驶员座椅下方加速度曲线。然后,用MADYMO动力学软件建立了该大客车驾驶员约束系统的前碰撞模型,模型包含客车驾驶舱、驾驶员座椅、三点式安全带、转向系统、和膝部安全气囊。进而将有限元客车整车正面碰撞模拟获得的加速度曲线作为MADYMO碰撞模型的输入载荷条件,分析了安全带和膝部气囊的八个设计参数对驾驶员下肢损伤的影响。最后得到膝部气囊点火时刻、膝部气囊拉带长度、膝部气囊排气孔面积系数三个主效应影响因子,并基于多目标遗传算法对其进行优化分析,优化结果使驾驶员下肢损伤风险得到了很大程度的降低。     

液压挖掘机动力总成悬置系统稳健性优化设计

以某型液压挖掘机为对象,建立其动力总成悬置系统理论模型,分析结果表明系统存在严重的耦合现象。利用ISIGHT软件集成MATLAB软件,以悬置刚度参数为设计变量、系统能量解耦率为目标函数、固有频率的合理分配为约束条件,综合考虑系统惯性参数(转动惯量与惯性积)及悬置刚度、安装位置、安装角度的不确定性因素进行稳健性优化。利用6σ质量分析法与蒙特卡洛模拟法对稳健性优化结果进行分析,分析结果表明:与确定性优化相比,稳健性优化后系统的解耦程度大幅提高,优化结果具有较强的可靠性,稳健性优化方案更适用于实际工程需求。     

基于行人小腿保护的保险杠结构稳健性优化设计

为了增强保险杠结构的小腿保护功能,提出了将试验设计技术、径向基函数近似建模技术、全局优化算法和基于蒙特卡罗模拟技术的6σ质量设计相结合的稳健性优化设计方法,并应用该方法进行了保险杠结构的优化设计。优化结果表明,该方法大大提高了车辆的行人保护功能。由于在优化过程中考虑了设计变量的不确定影响,该方法比确定性的优化方法更具有可靠稳健性。因此,从一定程度上讲,该方法是一种求解复杂工程问题的稳健性优化设计方法,深入应用该方法能大幅提高产品的设计质量。     

基于稳健性多目标优化的微客尾门轻量化设计

针对微客尾门结构的轻量化设计问题,提出了一种基于稳健性多目标优化的尾门轻量化设计方法。首先通过灵敏度分析方法筛选出了对尾门性能贡献量较大的尾门零件厚度作为设计变量,并建立了尾门各个工况响应的近似模型,其次以尾门扭转刚度、下垂刚度、尾门前三阶模态频率和抗凹分析点为约束条件,以尾门质量最小和第一阶模态频率最大和弯曲刚度位移量最小为目标,利用NSGA-Ⅱ算法对尾门进行了多目标优化,通过蒙特卡洛模拟技术对尾门进行了6σ质量水平和可靠度分析,并进行了6σ稳健性多目标优化。最终结果表明:优化设计后尾门结构在满足各性能要求的情况下实现了轻量化,质量减轻了2.28 kg,且弯曲刚度和第一阶模态得到提高;同时尾门结构各工况性能的稳健性也得到改善,达到6σ质量水平。     

基于RSM近似模型的客车车架稳健性设计

为提高客车性能的稳健性和约束的可靠性,选取城市客车最危险的扭转工况,对客车车架进行了有限元分析计算,利用最优拉丁超立方试验设计对初始变量进行灵敏度分析,筛选出对响应影响较大的15个设计变量;基于RSM近似模型,采用下山单纯形法算法对车架进行确定性优化,得到一组最优解;以确定性优化解作为初始值,结合最优拉丁超立方试验设计方法与下山单纯形算法,以质量最小以及它们的标准差和均值最小为目标进行多目标稳健性优化,可供汽车车架轻量化设计参考。     

基于拓扑优化与6σ稳健性的检修工装支撑座轻量化设计

为了充分发挥踏面制动单元(TBU)检修工装支撑座的轻量化潜力和提高优化设计的可靠性与稳健性,提出将拓扑优化与6σ稳健性优化相结合的优化策略。通过基于变密度法的拓扑优化设计,提取支撑座的拓扑结构。基于中心组合试验设计方法和有限元数值模拟技术建立系统的响应面模型。基于该模型建立支撑座的6σ稳健性优化设计模型,并采用序列二次规划法进行优化求解,利用均值一次二阶矩法获得优化结果的可靠度并转化为相应的σ水平。结果表明,优化后的支撑座各设计变量、强度和刚度的可靠度均为1,均达到了8σ水平,减重率达67. 0%,轻量化效果显著;且与拓扑优化后对其进行传统的确定性轻量化设计相比,该方法不仅使支撑座的强度和刚度得到了增强,而且还提高了优化设计的可靠性、强度与刚度的稳健性和重量的一致性。证明了该方法的有效性。     

基于6σ稳健性方法的滑移门平顺性优化研究

针对国内外滑移门平顺性优化的目标多为单目标,且没有考虑到不确定因素对优化结果影响的问题,提出了一种基于6σ稳健性设计的滑移门平顺性多目标优化方法。基于ADAMS/View建立了滑移门系统的刚柔耦合多体动力学模型,对其运动机构进行了参数化设计,通过灵敏度分析筛选出对滑移门动力学特性影响较大的结构参数作为设计变量;建立了滑移门系统的二阶响应面近似模型,采用遗传算法对滑移门运动机构进行了多目标确定性优化,采用蒙特卡洛抽样法对确定性优化结果进行了6σ质量分析;对滑移门平顺性进行了6σ稳健性优化。研究结果表明:优化后的中导向轮载荷峰值和滑移门质心加速度峰值相比初始值分别降低了36. 3%和23. 8%,在提升了滑移门平顺性的同时,稳健性和可靠性也得到了提高。     

2-RPU/SPR并联机构的多目标6Sigma稳健性优化

将Isight软件的NSGA-Ⅱ方法应用于2-RPU/SPR并联机构的6Sigma稳健性优化。方法建立2-RPU/SPR并联机构的工作空间、运动学灵巧度、刚度、最大和最小承载能力五个性能指标,设置约束条件,运用Matlab软件编程,并用Isight软件进行集成,进行确定性优化,得到优化解,在有噪声干扰的前提下,运用Isight对优化解进行6Sigma稳健性分析,进而运用NSGA-Ⅱ方法对这五个目标函数进行6Sigma稳健性优化。结果优化结果前后优劣对比,获得6Sigma稳健性优化后的良好结果。结论根据优化结果,并结合实际工况可选择最优设计参数,提高机构抗噪声干扰的能力,为高精密领域的包装机械提供一种高效直观的优化设计方法。     

切削测力平台结构递进式拓扑优化设计研究

微切削加工过程中,切削力是影响加工质量的重要参数。测力仪是动态测量切削力的主要装置,其测力平台部分工作稳定性和准确性对测力仪整体性能起到决定性作用。目前使用的大部分测力平台设计均可以满足宏观较大振幅应力测量要求,但较差的灵敏度和严重的信号衰弱无法满足微切削状态下切削力的微小变化测量。因此提出了一种在满足测力平台弹性体结构强度等要求下,首先以固有频率为目标函数进行单目标优化,将优化后的固有平率作为约束条件,再以应力集中为目标函数进行二次优化的递进式拓扑优化方法;并对优化后的结构进行模态试验,从而证明采用递进式拓扑优化的结构设计方法可以极大的提高测力平台工作时的稳定性、灵敏度和测量精度等性能,同时也拓展了测力平台微切削条件下的适用性。     

天线结构的稳健优化设计

根据稳健设计理论,在参数优化的基础上,剖析了天线结构设计中影响机械性能的可控与不可控因素,建立了稳健优化设计模型,通过分析与计算,得到了最优稳健可行解,使得天线结构设计具有稳健性.     

基于性能稳健偏差的区间型参数稳健设计优化

提出了基于系统性能稳健偏差的稳健设计优化方法。该方法针对区间型参数非梯度性能函数的稳健设计问题，应用性能稳健偏差概念评估目标性能函数和约束性能函数的稳健性，形成了三层次稳健设计优化模型：①搜索优化设计点；②迭代策略搜索设计点的目标函数和约束函数的稳健偏差；③优化寻求给定性能偏差所对应的稳健性指数。该方法可获得同时满足约束条件和目标值稳健性要求的优化设计，并输出目标值及其稳健偏差。用三杆桁架结构稳健设计优化说明了该方法的用法和特点。     

基于遗传算法的缓冲气囊动态特性优化

应用量纲分析法建立了气囊缓冲过程中的动力学模型,提出了一种基于遗传算法的缓冲气囊动态特性参数的优化方法。基于此方法对气囊高度、排气孔面积和初始充气压力进行了优化。试验结果表明：该方法能减少气囊设计过程中试验的次数,降低试验成本,在载人空投防护技术领域具有一定的实际工程意义。     

非线性多目标鲁棒设计问题的建模与优化方法研究

针对鲁棒设计中非线性多目标问题,提出非线性多目标鲁棒设计问题的建模与优化方法。首先,基于鲁棒设计原理,对非线性多目标鲁棒设计的问题进行建模;接着,研究了基于NSGAⅡ遗传算法和蒙特卡罗计算方法的非线性多目标鲁棒优化方法;最后,通过举出实际例子验证该方法的有效性。     

2K-H行星齿轮传动稳健优化设计

以某2K-H行星齿轮传动为例，采用正交试验的方法确定了行星齿轮稳健的设计参数，使得新的设计方案比原方案进一步满足低成本高性能的要求。     

基于多目标非耦合优化策略的可靠性稳健优化设计

以实现多目标问题的可靠性稳健优化设计为目标,通过对目标函数和约束条件进行灵敏度分析,生成目标函数和约束函数的灵敏度附加项,建立了基于灵敏度附加目标函数的可靠性稳健优化设计模型;基于独立公理,使用正交试验和方差分析技术确定设计变量对各个设计目标的影响程度,将设计参数按无耦合或准耦合设计形式分组,把多目标优化问题单目标化,避免多个设计目标之间的反复权衡;结合增广乘子法,应用MATLAB的优化和符号工具箱来实现钳形盘式制动器的可靠性稳健优化设计。算例表明,提出的稳健设计方法具有较高的精度和可靠度。     

稳健优化设计中代理模型不确定性的研究

代理模型的应用解决了稳健设计中计算量大的难题,但由于代理模型与真实模型间存在误差(代理模型的不确定性),而传统的稳健设计忽视了这种不确定性,必然会带来一定的设计误差。因此,针对稳健设计提出了一种基于蒙特卡洛抽样的代理模型不确定性的量化方法,在传统仅考虑参数不确定性的基础上,额外计入代理模型的不确定性对设计的影响。将提出的方法应用于一个数学算例和一个火箭弹卷弧翼气动稳健优化设计,所得优化结果较传统的未考虑代理模型不确定的稳健设计更为精确、合理,证实了提出方法的有效性。     

基于稳健性的肘杆传动机构的优化设计

采用复数矢量法建立了肘杆传动机构的运动方程,运用稳健设计原理,以肘杆传动机构的几何参数为设计变量,以满足曲柄摇杆机构及滑块位移条件为约束,以滑块冲压阶段的最大速度以及速度波动为目标函数,同时考虑杆件制造误差的影响,采用具有正态分布参数的蒙特卡洛法采样和多目标遗传算法对机构进行稳健性优化设计。优化结果表明,该方法更符合实际情况,且当设计变量发生变异时,能有效保证机构性能。     

稳健优化设计进程策略的研究及实践

分析了田口方法和容差模型法的各自特点，提出了一种综合运用两种方法使其互补的稳健优化设计进程策略。在一个机械锁紧装置的稳健优化设计实践中运用这一进程策略，取得了高精度和高效率的结果。     

全向式多室连通火星着陆缓冲气囊的多目标优化设计

针对基于地面模拟试验传统设计方法难以对全向式多室连通气囊进行优化设计的问题,采用基于有限元仿真、试验及多目标优化相结合的方法对该气囊系统进行了优化设计。在优化设计过程中,建立了可以分析全向式多室连通气囊(包裹了着陆探测器)的火星着陆缓冲过程的有限元模型,并进行了部分冲击试验,验证了该模型的准确性;然后基于有限元仿真结果,构建了目标函数的多项式代理模型;根据该模型,运用多目遗传算法对气囊系统进行了优化设计,系统的轻量化与单位质量吸能性能得到显著提高。该研究方法对全向式多室连通火星着陆缓冲气囊及其类似装备的设计具有很好的指导意义。