基于概率-椭球混合模型的缓冲气囊防护特性可靠性分析方法

针对多重不确定性因素对缓冲气囊防护特性的影响,提出一种基于概率-椭球混合模型的缓冲气囊防护特性可靠性分析方法。首先,利用概率模型和椭球凸集模型对装备空降过程中的不确定性因素进行描述,并建立缓冲气囊防护特性可靠性分析模型;然后,利用Karush-Kuhn-Tucker最优化条件将可靠性指标求解时面临的双层嵌套优化问题转化成单层优化问题,实现循环嵌套优化问题的解耦,从而提高可靠性指标的求解效率;最后,利用隔代映射遗传算法对气囊防护可靠性指标进行求解,并通过开展装备落地碰撞试验对缓冲气囊的防护特性进行验证。结果表明,该方法能有效对缓冲气囊的防护特性进行可靠性评估,并确保空降装备的安全性,在装备空降技术领域具有一定的实际工程意义。     

随机-认知不确定性的相关性分析模型及可靠性计算方法

针对工程中同时存在随机和认知不确定性的问题,提出了一种考虑相关性的概率-证据混合不确定性模型及相应的结构可靠性分析方法。首先引入样本相关系数来描述概率变量之间、证据变量之间以及概率和证据变量之间的相关性,通过一个转换矩阵将原问题中相关的变量转换为相互独立的变量,并构建了一个等效的概率-证据混合可靠性模型。然后将其转化为一系列概率-区间混合可靠性分析模型,并总结了嵌套优化分析迭代格式来求解失效概率区间。最后提供了三个数值算例验证该方法的有效性。     

基于气囊缓冲的载人空降乘员防护装置优化设计

针对载人空降乘员安全防护问题,基于气囊缓冲原理设计一种全新的气囊缓冲座椅和仿生气囊护颈,更有效地对空降乘员实施全方位的保护。通过开展装备落地碰撞试验对气囊缓冲装置的数值模型进行校正,并运用微型多目标遗传算法对气囊装置的动态特性参数进行优化,结果表明该方法不但能减少空降试验次数与昂贵试验成本,而且还能为工程人员提供多种方案以满足不同产品要求,在载人空降防护技术领域具有一定的实际工程意义。     

一种考虑模糊不确定性的概率-区间混合结构可靠性分析方法

基于概率-区间混合模型,提出一种考虑模糊不确定性的结构可靠性分析方法。应用模糊随机理论,引入隶属函数的补函数,将含区间变量的模糊随机可靠性模型等效转化为仅含随机变量和区间变量的混合可靠性模型,并运用传统的求解概率-区间混合可靠性模型的最大失效概率方法求得其等效的最大模糊失效概率。最后通过三个数值算例和一个工程算例验证了该方法的有效性。     

结构凸集—概率混合可靠性分析的新方法

对凸集不确定性和随机变量共存的结构混合可靠性模型行研究,以解决部分参量统计信息不足时的结构可靠性评定问题。基于Info-gap理论,建立一种统一的结构非概率可靠性模型,由此导出一种与概率可靠性方法等价的椭球非概率可靠性模型。用一种特定的椭球凸集模型描述随机变量不确定性,与一般性的凸集模型复合,将凸集不确定性和随机变量共存的混合可靠性问题统一为非概率可靠性问题。基于非概率可靠性方法,提出一种一般性的凸集-概率混合可靠性方法。给出的混合可靠性指标同时具有稳健可靠性和概率可靠性意义,可通过含约束的优化问题求解。算例分析显示,当数据分散性较强或较弱时,已有的混合可靠性方法不能有效度量结构可靠性,新方法更具合理性和适用性。     

一种针对概率与非概率混合结构可靠性的敏感性分析方法

基于概率与非概率混合不确定模型,提出了一种用于不确定结构的可靠度敏感性分析方法。混合不确定模型中,使用随机分布描述不确定性变量,并给定某些关键分布参数变化区间而非精确值,通过混合可靠性分析方法,获得结构可靠性指标或失效概率区间。给出了六种敏感性指标,定量描述了可靠性区间对区间分布参数的敏感程度。该方法被用于一悬臂梁结构及一实际车门结构的可靠性分析中。     

多学科系统非概率可靠性分析研究

基于不确定参数的凸集合描述,研究了多学科耦合系统的非概率可靠性分析问题。由于多学科系统分析的迭代性质,直接求解非概率可靠性模型将包含两个嵌套的循环,计算量较大。本文根据“同时分析和设计(SAND)”的思想,建立了求解非概率可靠性指标的SAND模型,使其求解仅包含一个单级循环(优化过程),较大程度上减少了计算量。通过一个典型的多学科分析算例比较了两种方法的计算结果和计算量,表明本算法是合理有效的,同时比较了概率可靠性与非概率可靠性指标的异同。     

含概率盒变量的动力总成悬置系统可靠性分析

动力总成悬置系统(Powertrain Mounting System, PMS)的可靠性分析存在不确定参数建模不准确和计算效率低下的问题。因此,文中将概率盒(probability box, p-box)引入到PMS不确定性分析中,并提出基于拒绝采样原理的PMS混合不确定性分析方法。首先,为了获得固有特性计算方程,建立PMS的12自由度模型;然后,分析随机变量和参数化p-box变量的特点,实现两种变量的统一表达;再次,提出一种基于双层蒙特卡罗抽样法和基于拒绝采样原理的混合不确定性分析方法,实现PMS固有特性响应的不确定性分析;最后,通过实际案例验证了所提方法的有效性和高效性。     

结构可靠性分析的概率和非概率混合模型

在结构可靠性分析中需要合理地定量处理影响结构性能的诸多不确定性。不确定性的模拟既可以是概率的，也可以是非概率的。文中简要介绍结构可靠性分析的概率方法和基于区间模型的非概率可靠性方法。提出结构可靠性分析的概率和非概率混合模型。通过两级功能方程的逐次建立及可靠性分析，给出结构可靠的概率度量。实例分析说明在结构可靠性分析中，应根据不确定性的产生机理及所掌握的数据信息合理地选取分析模型。     

不确定性分布参数情况下可靠性特征值分析模型及其点估计求解方法

针对工程中普遍存在的基本变量分布参数具有不确定性的问题,建立分布参数为服从某种分布随机变量情况下的可靠性特征值分析模型,并采用点估计建立可靠性特征值模型的求解方法.当基本变量的分布参数为服从某种分布的随机变量时,传统上定义的失效概率亦变成随机变量,此时可以从失效概率随机变量的均值和标准差等特征值来重新认识和度量结构失效的可能性.在提出可靠性的特征值分析模型后,首先建立特征值分析模型的通用数字模拟法.并基于已有的三点估计建立失效概率均值和标准差的单重与双重矩估计方法.在给出所建模型求解方法的实现过程后,通过数值算例、工程算例来说明模型的合理性以及所提求解方法的精度和效率.相对于通用数字模拟方法,单重矩方法和双重矩方法在求解失效概率的一阶和二阶特征值时具有较高的效率,而且矩方法比较简单,计算过程中不需要迭代和求导,可以很方便地应用于分布参数具有不确定性的可靠性分析问题.     

一种耦合区间-随机混合可靠性分析方法

考虑区间变量的耦合性,基于多椭球模型提出了一种高效的耦合区间-随机混合可靠性分析方法。为解决耦合区间变量导致的可靠性分析计算效率低的问题,采用序列迭代分析方法,将混合可靠性分析的双层耦合循环分解为概率分析与区间分析,并结合多项式插值法提出了一种适用于极限状态函数关于耦合区间变量单调与非单调两种工况的高效区间分析算法。算例结果表明,所提的混合可靠性分析方法具有较好的计算精度与计算效率。     

基于多目标优化的乘用车后排座椅轻量化设计

提出第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)结合响应面法(RSM)-径向基神经网络方法(RBF)混合近似模型和逼近理想解排序(TOPSIS)方法对某乘用车后排座椅进行结构-材料一体化多目标轻量化设计研究。结合有限元理论建立仿真模型,并通过行李箱碰撞试验验证仿真模型的正确性,根据工程经验和座椅靠背骨架吸能分析确定了6个优化部件厚度、材料的设计变量及取值范围;采用RSM-RBF混合近似模型方法拟合设计变量与响应之间的关系;利用NSGA-Ⅱ算法对优化问题进行求解,得到Pareto最优解集。最后采用基于熵权TOPSIS方法对Pareto最优解集进行排序确定最佳折中解。结果表明:在满足各项安全性能法规的前提下,乘用车后排座椅减重3.57 kg。     

超重装备空投适应性的仿真与优化

采用气体动力学和热力学方法对气囊缓冲过程进行了分析。基于现有的气囊结构,空投时末端速度过大。因而,对气囊直径和高度等参数进行了研究和优化,找到了可行的设计区域。利用优化后的结构参数,对正常工况下的气囊缓冲过程进行了实验,得到了气囊高度和内压,空投速度和加速度。实验结果表明,利用参数优化后的气囊实现20 t超重装备的空投是可行的。     

Characteristic verification and parameter optimization of airbags cushion system for airborne vehicle

Abstract： The major methods to investigate the airbags cushion system are experimental method, thermodynamic method and finite element method （FEM）. Airbags cushion systems are very complicated and very difficult to be investigated thoroughly by such methods For experimental method, it is nearly impossible to completely analyze and optimize the cushion characteristics of airbags of airborne vehicle because of charge issue, safety concern and time constraint. Thermodynamic method fails to take the non-linear effects of large airbag deformation and varied contact conditions into consideration. For finite element method, the FE model is usually complicated and the calculation takes tens of hours of CPU time. As a result, the optimization of the design based on a nonlinear model is very difficult by traditional iterative approach method. In this paper, a model based on FEM and control volume method is proposed to simulate landing cushion process of airborne vehicle with airbags cushion system in order to analyze and optimize the parameters in airbags cushion system. At first, the performance of airbags cushion system model is verified experimentally. In airdrop test, accelerometers are fixed in 4 test points distributed over engine mount, top, bottom and side armor plate of hull to obtain acceleration curves with time. The simulation results are obtained under the same conditions of the airdrop test and the simulation results agree very well with the experimental results, which indicate the established model is valid for further optimization. To optimize the parameters of airbags, equivalent response model based on Latin Hypercube DOE and radial basis function is employed instead of the complex finite element model. Then the optimal results based on equivalent response model are obtained using simulated annealing algorithm. After optimization, the maximal acceleration of airborne vehicle landing reduces 19.83%, while the energy absorption by airbags increases 7.85%. The performance of the airbags cushion system thus is largely improved through optimization, which indicates the proposed method has the capability of solving the parameter optimization problem of airbags cushion system for airborne vehicle.     

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。     

气囊式火星着陆器稳健性优化设计

气囊式火星着陆器结构复杂,关键参数多,工况极端,不确定因素多且可靠性要求高。针对气囊式火星着陆器优化设计中的计算效率问题,采用基于超级计算平台并行分布式计算技术与稳健性优化设计理论的多目标稳健性优化方法对复杂气囊系统进行了稳健性优化设计。结果表明：超级计算平台的应用使稳健性优化的计算效率得到了显著提升;稳健优化设计后的气囊式火星着陆系统的可靠性有明显改善。     

多状态系统共因失效机理与定量分析

共因失效是由共同诱因引发的相关失效形式,普遍存在于各类系统,当前研究仅限于二态系统。该文针对存在共因失效的串并联不可修系统,探讨共因失效的发生与作用机理,基于载荷离散化方法和概率发生函数建立多状态系统可靠性定量评估模型,新模型可反映在失效共因下元件部分失效及其累积效应对系统各级性能的影响。研究表明,元件因失效共因而统计相关时,各元件状态趋同的概率增大,而取异值的概率减小,对系统可靠度分析产生影响。载荷离散化模型实现系统共因失效相关性的近似解耦,发生函数法能以统一的程序方式快捷处理概率组合问题。提出的模型为多状态系统共因失效及可靠性研究提供新途径。     

Optimization of a driver-side airbag using kriging based approximation model

The performance of an occupant protection system in the proto-design stage of a new car is often evaluated by CAE (Computer Aided Engineering) instead of the real test. CAE predicts and recommends the appropriate design values; hence reducing a number of the real tests. In this research, the optimization procedure of a protection system, such as airbag and load limiter, is suggested for frontal collisions. The DACE modeling, known as one of the kriging interpolations, is introduced to obtain the surrogate approximation model of the system, followed by the tabu search method to determine the global optimum. A mathematical problem is solved to check the usefulness of the suggested method. To overcome the limitation of existing CAE method having uncertainties of parameters, a distribution of combined injury probability is investigated using the Monte-Carlo simulation on the optimum design obtained from the suggested method.