基于不确定性的产品关键结构力学性能优化技术及其典型应用

摘要

产品关键结构设计、制造、装配及运行过程中不确定性因素广泛存在，这使得经典的确定性优化理论和方法难以直接得到应用。因此，开展产品关键结构不确定性优化方法和应用研究，对于确保产品的质量和工作可靠性具有重要的意义。本论文的主要内容如下:
　　第一章介绍了产品关键结构设计中存在的各种不确定性因素，综述了产品关键结构力学性能不确定性优化设计方法的研究现状和不足，提出了本课题的研究背景、意义及主要研究内容。
　　第二章提出了基于区间变量的产品关键结构静态力学性能不确定性优化设计方法。利用区间序关系和区间可能度实现了区间不确定性优化模型向确定性优化模型的转换，针对转换后存在的两层嵌套优化和求解效率低下问题，将区间结构分析方法和自适应径向基函数近似模型引入到静态力学性能不确定性优化问题之中，在保证求解精度的同时能够大大提高计算效率。并将其应用到高速冲压机上横梁高刚度轻量化设计之中，得到了可供选择的多种设计方案。
　　第三章提出了一种基于随机变量的产品关键结构动态力学性能稳健设计方法。利用双层更新Kriging渐进全局近似模型拟合得到动态力学性能指标与设计变量和不确定性因素之间的函数关系，建立了同时考虑目标稳健性和可行稳健性的多目标稳健优化模型。与蒙特卡罗法和多目标遗传算法相结合，快速精确地获取稳健优化问题的Pareto最优解集。并将其应用到高速冲压机底座的稳健设计之中，改善了底座静动态力学性能的稳健性。
　　第四章利于基于区间变量的产品关键结构静态力学性能不确定性优化设计方法对高速冲压机滑块机构进行高刚度轻量化设计，得到了满足实际需要的设计方案。对不确定性设计结果进行了分析比较和试验测量，验证了基于区间变量的产品关键结构静态力学性能不确定性优化设计方法的有效性和实用性。
　　第五章将基于随机变量的产品关键结构动态力学性能稳健设计方法应用到核电汽轮发电机定子关键结构动态特性的稳健优化设计之中，提高了其动态特性的稳健性，且使得前三阶固有频率成功避开外界激振频率，避免产生共振。
　　第六章中总结了本文的研究成果并展望了今后的研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 产品关键结构设计中的不确定性因素分析

1．3 关键技术研究现状

1．3．1 基于概率模型的优化设计研究现状

1．3．2 基于区间模型的优化设计研究现状

1．3．3 稳健设计研究现状

1．4 研究背景及主要内容

1．4．1 研究背景及意义

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

2 基于区间变量的产品关键结构静态力学性能不确定性优化设计

2．1 引言

2．2 产品关键结构静态力学性能不确定性优化建模

2．3 不确定性模型向确定性模型的转换

2．3．1 不确定约束函数的转换

2．3．2 不确定目标函数的转换

2．3．3 转换后的确定性模型

2．4 产品关键结构静态力学性能不确定性优化问题求解

2．4．1 径向基函数近似模型

2．4．2 近似区间不确定性优化模型建立

2．4．3 基于区间结构分析法的不确定目标函数和约束区间获取

2．4．4 自适应径向基函数近似模型策略

2．4．5 基于自适应RBF模型的区间不确定性优化算法

2．5 应用实例

2．5．1 上横梁静态力学性能不确定性优化建模

2．5．2 上横梁静态力学性能不确定性优化问题求解

2．6 本章小结

3 基于随机变量的产品关键结构动态力学性能稳健设计

3．1 引言

3．2 产品关键结构动态力学性能及稳健性分析

3．2．1 产品关键结构的动力学方程

3．2．2 产品关键结构动态力学性能的稳健性分析

3．3 基于随机变量的产品关键结构动态力学性能稳健设计建模

3．3．1 基于随机变量的不确定性因素统一表示

3．3．2 产品关键结构动态力学性能的多目标稳健设计模型

3．4 产品关键结构动态力学性能多目标稳健设计求解

3．4．1 Kriging近似模型

3．4．2 Kriging近似模型的双层更新策略

3．4．3 基于双层更新Kriging模型的动态力学性能稳健优化算法

3．5 应用实例

3．5．1 底座初始设计方案的动态力学性能稳健性分析

3．5．2 底座结构动态力学性能稳健设计建模

3．5．3 底座动态力学性能稳健优化求解及结果分析

3．6 本章小结

4 高速冲压机滑块机构静态力学性能区间不确定性优化设计

4．1 引言

4．2 滑块机构静态力学性能不确定性优化建模

4．3 滑块机构静态力学性能不确定性优化问题求解

4．4 滑块机构不确定性优化设计结果分析与验证

4．4．1 静态力学性能不确定性优化设计结果

4．4．2 与确定性优化设计结果的对比分析

4．4．3 不确定性优化设计结果的试验验证

4．5 本章小结

5 汽轮发电机定子关键结构动态特性稳健设计

5．1 引言

5．2 定子关键结构初始设计方案的动态特性

5．3 定子关键结构动态特性稳健设计建模

5．4 定子关键结构动态特性稳健设计求解与结果分析

5．4．1 定子关键结构动态特性稳健设计求解

5．4．2 定子关键结构动态特性稳健设计结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介