面向复杂装备的工况适应性设计理论、方法及其应用研究

摘要

在复杂装备的设计过程中考虑外部环境扰动和本体状态变化，实现复杂装备在多样工况环境随机扰动状态下的适应性响应，本文提出了面向复杂装备的工况适应性设计理论，构建了复杂装备的工况适应性设计技术体系，对运行工况驱动的结构适应性变异设计方法、过程质量波动的特性适应性融合设计方法、结构强度失稳的模式适应性辨识设计方法和环境负荷胁迫的性能适应性修复设计方法进行了深入研究。结合实际项目，应用提出的理论和方法开发了面向复杂锻压装备的工况适应性设计集成系统，并在复杂锻压装备设计制造过程中进行了工程应用，取得了较好的效果。
　　全文的组织结构为:
　　第一章对复杂装备的设计现状进行分析，阐述了产品适应性设计，提出了面向复杂装备的工况适应性设计思想，给出论文的主要研究内容和结构体系。
　　第二章定义了工况适应性设计的内涵。阐明了工况适应性设计的主体、介主体和适应等概念内涵，归纳了工况适应性设计的4个内涵特性和3个内涵机制，并构建了复杂系统工况适应性设计的技术体系。
　　第三章提出了运行工况驱动的复杂装备结构适应性变异设计方法。构建了基于时序历程事件、生产环境因子、自然环境因子等多元因素的环境剖面基因模型;根据环境剖面基因模型，运用主链基因的缺失、新增、重组和分支链基因的缺失、新增等5种基因变异策略，对环境剖面差序基因模型进行演化运算，并以设计波动量最小为标准选取设计母板。以母版结构为基础，结合复杂装备的环境-功能-载体设计方案知识库对其结构进行适应性变异设计，使其更有效的适应运行工况，保障运行过程中的安全性和可靠性。通过锻压机液压系统的运行工况驱动结构适应性变异设计应用实例，证明了该方法的可行性和有效性。
　　第四章提出了过程质量波动的复杂装备特性适应性融合设计方法。通过对过程质量进行内涵描述和波动性分析，构建了复杂装备过程质量特性空间/时间适应性融合模型。运用质量屋工具对设计过程的质量特性进行规划，基于田口质量损失方法对制造过程的质量特性进行运算，基于质量-成本模型对运行过程的质量成本进行求解。最后以锻压机机身部件为例，对所提出的设计方法进行验证。
　　第五章提出了结构强度失稳的复杂装备模式适应性辨识设计方法。在复杂装备空间结构强度稳定性机理分析基础上，构建了空间结构形态矩阵，给出合并、扩增、分离、重组等4种空间结构形态矩阵的运算方法。运用隐马尔可夫模型对复杂装备结构强度失稳模式进行辨识，将空间结构信息引入训练过程中，经过形态矩阵的操作运算得到空间结构HMM适应性元模型，通过对经典HMM的辨识算法进行优化，提高故障模式溯源辨识的计算效率和准确性，从而实现复杂装备空间结构强度的模式适应性辨识设计。最后以机压机多连杆失稳模式适应性辨识设计为例，表明该方法的有效性。
　　第六章提出了环境负荷胁迫的复杂装备性能适应性修复设计方法。以运行阶段系统所处的环境因素为研究对象，针对环境敏感系统提出了环境负荷胁迫响应模型，在环境负荷胁迫工况下，系统性能下降处于潜在故障状态时，利用闭环传感器系统对环境因子状态进行监测，并根据监测数据构建转录因子阵列和状态酶阵列，联合映射确定工况波动源和扰动幅度，启动环境修复方案并配合状态酶调控其运行程度进行工况适应性修复，避免潜在故障持续造成功能故障，保障系统的正常运行。通过对锻压冲压工艺性能状态进行模拟，验证了该方法的有效性。
　　第七章结合实际项目，开发了面向复杂锻压装备的工况适应性设计集成系统（HD-CADIS），并将结构适应性变异设计方法、特性适应性融合设计方法、模式适应性辨识设计方法、性能适应性修复设计方法应用在复杂锻压装备的设计制造过程中，在实践中证明本文提出理论与方法的可行性和有效性。
　　第八章对论文进行总结，并对以后研究进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 产品适应性设计的研究综述

1．2．1 面向结构的产品适应性设计

1．2．2 面向功能的产品适应性设计

1．2．3 面向性能的产品适应性设计

1．2．4 面向进程的产品适应性设计

1．3 面向复杂装备的工况适应性设计方法的提出

1．3．1 现有产品适应性设计的局限和不足

1．3．2 面向复杂装备的工况适应性设计思想

1．4 论文的结构体系

1．5 小结

2 工况适应性设计的内涵和技术体系

2．1 引言

2．2 工况适应性设计的内涵

2．3 工况适应性设计的技术体系

2．4 本章小结

3 运行工况驱动的结构适应性变异设计方法

3．1 引言

3．2 运行工况下环境剖面表达

3．2．1 自然环境因子

3．2．2 生产环境因子

3．2．3 环境剖面描述

3．3 环境剖面基因模型构建

3．3．1 基因模型表示

3．3．2 基因变异策略

3．3．3 差序基因演化

3．4 复杂装备结构适应性变异设计流程实现

3．5 工程实例：液压机液压系统结构适应性变异

3．6 本章小结

4 过程质量波动的特性适应性融合设计方法

4．1 引言

4．2 复杂装备过程质量特性分析

4．2．1 过程质量特性内涵描述

4．2．2 过程质量特性融合作用

4．3 复杂装备过程质量特性融合模型构建

4．3．1 质量特性时间和空间融合

4．3．2 过程质量适应性融合模型

4．4 设计过程的质量特性规划

4．4．1 基于质量屋的设计质量需求获取

4．4．2 设计过程质量特性空间融合计算

4．5 制造过程的质量损失运算

4．5．1 田口质量损失表达及计算

4．5．2 质量损失融合模型及运算

4．6 运行过程的质量成本求解

4．7 工程实例：液压机机身部件质量特性适应性融合

4．8 本章小结

5 结构强度失稳的模式适应性辨识设计方法

5．1 引言

5．2 复杂装备空间结构强度特性分析

5．2．1 结构强度稳定性机理

5．2．2 空间结构形态学矩阵

5．2．4 结构矩阵适应性运算

5．3 空间结构故障模式辨识规划

5．3．1 故障模式辨识步骤

5．3．2 隐藏故障状态解码

5．4 基于结构矩阵的模式适应性辨识策略

5．4．1 故障模式辨识模型求解

5．4．2 适应性辨识的算法优化

5．5 工程实例：机压机多连杆失稳模式适应性辨识

5．6 本章小结

6 环境负荷胁迫的性能适应性修复设计方法

6．1 引言

6．2 复杂装备故障特性分析

6．2．1 潜在故障状态产生过程

6．2．2 六种故障特征曲线归纳

6．2．3 环境负荷响应适用条件

6．3 负荷因子对复杂装备性能影响

6．3．1 温度负荷因子的影响

6．3．2 湿度负荷因子的影响

6．3．3 振动负荷因子的影响

6．3．4 其它负荷因子的影响

6．4 随机环境扰动的性能适应性修复过程

6．4．1 环境负荷响应模型构建

6．4．2 性能适应性修复方案求解

6．5 工程实例：液压机冲压工艺性能适应性修复

6．5．1 液压机冲压工艺分析

6．5．2 冲压工艺性能修复模拟

6．6 本章小结

7 复杂锻压装备工况适应性设计集成系统的实现

7．1 引言

7．2 系统应用背景与体系结构

7．2．1 系统应用背景

7．2．2 系统体系结构

7．3 系统的主要功能及实现

7．3．1 锻压装备基础信息维护与管理

7．3．2 锻压装备需求获取与分析模块

7．3．3 锻压装备结构设计与管理模块

7．3．4 锻压装备性能监控与维修模块

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果