考虑混合不确定量化技术的机械结构系统安全和风险评价

摘要

机械结构系统的复杂性一方面体现在系统结构性能上,另一方面体现系统应用环境上,由于复杂性,导致不确定性现象普遍存在于机械结构系统当中。对于只包含随机不确定性的情况,基于概率的安全风险评价方法已日趋成熟;对于包含由知识不足、信息模糊、数据不完备等原因引起的认知不确定性的情况,基于可能性的安全风险评价方法已表现出一定的优势;但对于同时包含随机和认知不确定性情况,目前还没有一套完整的安全风险评价及其优化设计的方法体系。
　　针对上述情况,为适应目前机械结构系统在安全风险评价过程中的模型通用性低、计算复杂性高以及计算工作量大等现实问题,本文以高档数控机床及其关键部件为主要工程背景,结合概率可靠性和可能可靠性的理论基础,旨在研究探索一套能够处理混合不确定性情况的安全风险评价及其优化设计的方法体系,为机械产品的安全可靠性设计提供技术支持。本文的主要研究内容如下:
　　(1)在不考虑应用环境的前提下,对含有认知不确定性的情况,提出基于希尔伯特(Hilbert)空间和区间层次分析法(IAHP)的安全风险评价方法,进行不确定性评价指标的量化与风险等级确定,以数控机床系统为例,验证该方法有效性。
　　(2)考虑应用环境时,对于混合不确定性条件下的安全风险评价,利用数值拟合与模型验证的方法确定失效分布函数,并获得先验信息;并结合贝叶斯理论,提出安全风险评价的态势模型。以对典型的数控机床系统分析为例,验证了该方法具有较好可行性,并对机械结构系统的安全风险预测具有很好实用性。
　　(3)为达到考虑混合不确定性时,有效揭示失效模式的目的,基于试验信息和数值模拟的两种方法,以V&V技术为核心,结合试验设计,提出代理模型,对关键部件的性能参数进行裕量及不确定量化(QMU),并且对QMU概率问题的扩充进行研究。通过对数控机床性能参数的以及其关键部件的算例分析,验证了该方法能以简捷的信息结构对系统的综合效能做出合理的评价和认证。
　　(4)针对混合不确定性的情况,结合基于概率和可能性的安全可靠性分析方法,提出了一种处理混合不确定性的结构可靠性优化设计方法,同时借鉴顺序优化与可靠性评估的思想来提高计算效率。以数控机床的气动传动系统上螺栓结构算例分析,证明了该方法的可行性,并得出了不确定性因素的信息完备程度,对设计结果和安全风险评价有影响的结论。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 研究思路与内容安排

第二章 系统的不确定性因素的研究

2.1 不确定性的形式表现

2.2 不确定性因素的属性表征及其信息度量

2.3 代理模型构建过程

2.4 本章小结

第三章 基于Hilbert空间与IAHP解决认知不确定性的评价方法

3.1 标准空间的建立与评价指标信息的处理

3.2 认知不确定性的量化

3.3 算例

3.4 结果分析

3.5 本章小结

第四章 基于数值模拟与Bayes网解决混合不确定性的评价方法

4.1 基于数值模拟方法的先验信息的获取

4.2 基于Bayes网的模型建立

4.3 算例

4.4 本章总结

第五章 基于QMU认证方法的安全和风险评价

5.1 确定性模型的应用条件

5.2 数值模拟的QMU流程

5.3 QMU认证的扩展研究

5.4 算例

5.5 本章总结

第六章 机械结构系统安全和风险评价过程的设计优化

6.1 可靠性模型的分类

6.2 可靠性优化设计

6.3 几种混合不确定优化的新方法

6.4 算例

6.5 本章总结

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 研究工作展望

致谢

参考文献

在学期间取得的研究成果

在学期间参加的科研项目