可靠性计算的失效区组合逼近方法研究

摘要

高可靠性是提高产品质量和竞争力的重要保证，提高可靠性计算精度是可靠性理论研究的重要课题。迄今为止，可靠性计算的主流方法是一次可靠性方法、二次可靠性方法和蒙特卡洛方法。一次可靠性方法在线性功能函数的情况下才可能获得精确解，二次可靠性方法在非线性功能函数的情况下可以提高可靠性计算的精度，但对计算精度提高的程度仍无法估计，而蒙特卡罗模拟法似乎是一种万能的方法。事实上，一次可靠性方法是用设计点处的一个线性功能函数替代原功能函数，二次可靠性方法是用设计点处的一个二次功能函数替代原功能函数，再进行可靠性的计算。无论是线性功能函数，还是二次功能函数，虽然其可靠性的计算较原功能函数变得简单，但是由于线性功能函数或二次功能函数形成的计算失效区与原功能函数的失效区有所不同，因此必然存在计算误差。
　　显然，用一个简单的线性功能函数或二次功能函数替代原功能函数后，再进行可靠性的计算，无论如何，可靠性的计算精度有时可能不够。若能够用多个线性功能函数或二次功能函数替代原功能函数，且这些线性功能函数或二次功能函数失效区的适当组合充分接近原功能函数的失效区，则计算这些线性功能函数或二次功能函数组合失效区的概率，就可充分接近原失效区的概率，从而提高原功能函数可靠性计算的精度。论文研究的主要内容和创新点如下:
　　(1)逼近函数的获取方法
　　主要针对功能函数的最大可能失效区为凸集的情况，深入研究逼近函数的获取方法。确保逼近函数失效区的组合可高精度地逼近原失效区，为进一步提高可靠性计算精度打下坚实基础。提出用PSO算法求多个设计点，用于建立主线性逼近函数。针对高非线性功能函数，提出建立次线性逼近函数的重要方向法，弥补了现有方法的不足。提出建立次线性逼近函数的改进陈方法、球极坐标法及旋转法，作为必要的补充。提出受功能函数非线性程度影响较小的抛物线法来获取二次逼近函数。同时，提出一步响应面法作为必要的补充。
　　(2)凸失效或凸安全区可靠性的计算
　　研究利用线性逼近函数失效区获得具有较高计算精度的可靠性计算方法。通过逐次建立等效主逼近平面方法，实现用逼近函数失效区逐次高精度地逼近原失效区。当等效主逼近平面的失效区与原失效区接近时，获得的可靠性值可接近精确值。此外，对现有陈方法的次线性化点的迭代搜索方向进行改进，提高该方法的普适性。通过研究线性逼近函数的失效区的组合方法，提出用线性凸概率积分区的组合对原失效区进行高精度逼近，提出利用线性凸概率积分区计算原失效区可靠性方法—线性凸区法。
　　(3)非凸失效或非凸安全区可靠性的计算
　　重点研究多个最大可能失效区组成的系统可靠性计算的线性逼近法。首先求出多个设计点和多个最大可能失效区，将结构可靠性计算转化为多个最大可能失效区组成系统的可靠性计算。当设计点为拐点时，提出改进线性凸区法和改进Feng方法构造最大可能失效区的等效主平面。以等效主平面的失效区逼近单个最大可能失效区。将最大可能失效区组成的系统可靠性计算转化为等效主平面失效区组成的系统可靠性计算。提出计算等效主平面失效区系统可靠性的两种方法:逐步累积法和逐次等效法。实现了对现有线性逼近法的进一步完善和发展。
　　(4)二次逼近可靠性的计算
　　针对具有多个凸峰和凹谷的功能函数的可靠性计算，将原失效区划分若干局部失效区。以原失效区为“顶事件”，局部失效区为“底事件”，利用最小割集将局部失效区进行组合逼近原失效区。重点研究构造若干二次功能函数的失效区组合逼近局部失效区，通过计算二次功能函数失效区组成的系统可靠性获得局部失效区的可靠性，进而以局部失效区组成的系统可靠性估计结构可靠性。
　　(5)逼近方法的可靠性计算应用
　　以拉杆、螺栓、输出轴及调谐系统振幅的可靠性计算为例，研究逼近方法的工程应用。同时，研究逼近方法在可靠性灵敏度和系统可靠性计算中的应用。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 可靠性发展的回顾

1．3 结构可靠性的计算

1．3．1 可靠性计算简介

1．3．2 可靠性计算的积分法

1．3．3 可靠性计算的数值模拟法

1．3．4 可靠性计算的近似方法

1．4 结构系统可靠性的计算

1．4．1 结构系统可靠性计算简述

1．4．2 结构系统可靠性计算的界限法

1．4．3 结构系统可靠性的近似计算方法

1．5 课题研究的目的和意义

1．5．1 现有计算方法的不足

1．5．2 课题研究的目的

1．5．3 课题研究的意义

1．6 本章小结

第二章 逼近方法的若干关键问题

2．1 组合逼近失效区

2．2 主线性逼近函数的建立

2．2．1 求单设计点方法

2．2．2 求多个设计点方法

2．3 次线性逼近函数的建立

2．3．1 改进陈方法

2．3．2 重要方向法

2．3．3 球极坐标法

2．3．4 旋转法

2．3．5 算例与分析

2．3 线性逼近系统分类

2．3．1 线性逼近系统类型的定义

2．3．2 线性逼近系统类型的判定

2．4 二维标准正态分布函数的计算

2．5 最小割集方法

2．5．1 最小割集的获取

2．5．2 结构可靠性计算的最小割集法

2．6 本章小结

第三章 可靠性计算线性逼近的一般算法

3．1 逐次等效主平面法

3．1．1 等效主平面法的计算原理

3．1．2 可靠性计算的基本过程

3．1．3 算例与分析

3．2 线性凸区法

3．2．1 线性凸区的构造

3．2．2 线性凸区可靠性的计算

3．2．3 线性凸区可靠性的组合计算

3．2．4 算例与分析

3．3 本章小结

第四章 多失效区可靠性计算的线性逼近法

4．1 拐点失效区的可靠性计算

4．1．1 改进Feng方法

4．1．2 改进线性凸区法

4．2 多失效区的可靠性计算

4．2．1 多失效区简述

4．2．2 可靠性的计算方法

4．3 算例与分析

4．4 本章小结

第五章 可靠性计算的二次函数逼近法

5．1 失效区的划分

5．2 二次逼近函数的构造

5．1．1 抛物线法

5．1．2 一步响应面法

5．3 可靠性的计算方法

5．3．1 二次逼近平面系统的建立

5．3．2 二次逼近平面系统的简化

5．3．2 组合失效区的可靠性计算

5．4 算例与分析

5．4 本章小结

第六章 逼近方法在可靠性计算中的应用

6．1 拉杆的可靠性计算

6．2 螺栓连接的可靠性计算

6．3 减速器输出轴的可靠性计算

6．4 调谐振动系统振幅的可靠性计算

6．5 可靠性灵敏度计算的逼近法

6．5．1 可靠性灵敏计算简述

6．5．2 可靠性灵敏度计算的基本原理

6．5．3 算例与分析

6．6 系统可靠性的计算

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况