高仁璟[1]2002年在《控制系统可靠度分析与优化设计》文中研究指明本文分析总结了有关可靠度理论和方法以及遗传算法的基本理论和实现技术等方面的研究成果。研究了控制系统可靠度分析和系统的可靠度、冗余度优化设计问题。探讨了遗传算法在系统可靠度分析与优化中的应用技术。给出了混合串—并联系统和复杂系统的元件可靠度和冗余度的最优分配设计。主要内容包括： 1．总结分析了元器件和系统的失效率分布函数(曲线)，分析了系统可靠度的模型和求解技术。结果说明：(1)混合威布尔分布可以很好的模拟系统和元器件的失效率曲线；(2)改进元、部件的可靠度，简化系统结构，可提高系统的可靠度；(3)增加系统或器件的冗余是提高系统可靠度的主要手段；(4)基于可靠度的系统设计，即利用优化手段设计元器件或子系统的可靠度和冗余数，是提高系统可靠度的重要设计方法。 2．分析总结了遗传算法的基本理论和编码技术，针对控制系统可靠度优化问题的特殊性质和要求，提出将整数编码应用于离散变量问题，将二进制和符号编码、二进制和实数编码等混合编码技术应用于元器件可靠度(连续取值)和冗余数(整数，离散值)优化分配这类混合变量的优化问题。 3．将可靠度概念、可靠度分析和优化技术应用到系统设计，建立了基于可靠度的系统优化设计与综合问题的数学提法，同时设计系统的元器件(硬件)和控制软件的可靠度、冗余数或失效冗余度，使系统可靠度最高或成本最低。将遗传算法应用于系统可靠度设计，研究了基于遗传算法的系统可靠度和冗余数最佳分配问题的优化算法。对简单串并联系统在造价和重量约束下的器件选型和器件的冗余个数进行了优化，所得结果与传统方法的结果进行对比分析，说明遗传算法对该类问题是有效的。给出了一复杂系统在造价约束下的可靠度和冗余数的并发优化设计结果。 4．最后给出了工作总结和进一步研究工作的展望。
孟增[2]2015年在《结构可靠度优化设计的高效稳健算法研究》文中认为实际工程中存在着大量的不确定性因素,例如载荷环境、材料属性、几何形状、初始条件、制造公差、边界条件等。可靠度理论从概率的角度对结构的安全程度进行评估。而可靠度优化是在可靠度概念的基础上,借助优化技术对产品在保障安全性能的前提下实现结构造价或某些性能方面的最优设计。可靠度优化本质上是一个双层嵌套的迭代求解过程,需要同时处理可靠度分析和外层优化的整体性能。计算精度、求解效率以及算法的稳健性是可靠度优化方法最重要的叁个因素,目前学者们围绕这叁个方面做了大量研究,形成了包含双循环方法、解耦法以及单循环算法在内的叁大类优化算法。然而这些方法在处理强非线性功能函数、非正态随机变量、大变异系数等问题的时候容易出现收敛速度过慢甚至不收敛现象。因此,提出一种效率高、稳健性好以及适用范围广的方法具有重要的理论和实际意义。本文将从内层可靠度／逆可靠度分析出发,提出高效、稳健的可靠度/逆可靠度计算方法,并在此基础上由内而外逐步深入探索计算性能更好的结构可靠度优化方法。1.提出了基于修正混沌控制的HL-RF可靠度指标计算方法。深入研究了HL-RF迭代格式在处理非正态随机变量或强非线性功能函数时不收敛的机理,通过调整迭代点在不同方向上的步长控制,极大改善了可靠度分析的稳健性的同时提高了计算效率。此外,引入了功能函数类型的判定准则,实现了对迭代点振荡现象判定。通过对不同算法的比较,验证了修正的混沌控制方法具有更好的效率和稳健性。2.针对包含凹功能函数可靠度优化计算的不收敛问题进行研究,提出了基于混合混沌控制的序列优化与可靠性评定方法。首先研究了凹功能函数迭代的失效机理,指出了逆可靠度分析迭代点振荡具有方向性,进一步建立了修正的混沌控制方法,使得凹函数逆可靠度问题的计算效率大幅提高。然后引入共轭均值法的函数判定准则,提出了混合混沌控制方法,完成了对于凸函数和凹函数问题的高效计算。最后,将混合混沌控制方法与序列优化与可靠性评定方法结合,实现了包含凹功能函数可靠度优化问题高效、稳定的求解。3.针对包含多个不同功能函数类型的可靠度优化问题,提出了自适应混合循环算法。首先在修正混沌控制方法的基础上,通过结构响应的非线性程度与迭代向量夹角之间的关系构造了自适应混沌控制的方法,克服了修正混沌控制方法对于控制因子的依赖性。然后构建了设计变量振荡的判定准则,将单层循环方法的高效性和双层优化方法的稳健性结合起来,避免了设计者对于黑箱函数的算法选择困难,直接实现对包含不同类型功能函数优化模型高效、稳定的计算。4.针对含有多个局部最优点和高非线性约束的加筋柱壳结构,构造了基于自适应混沌算法、代理模型和演化算法的全局可靠度优化方法,实现了含几何缺陷加筋柱壳结构的可靠度优化设计。首先利用自适应混沌控制进行快速逆可靠度分析,然后采用粒子群算法良好的全局搜索能力和代理模型计算量较小的特点,建立了快速的全局寻优方法。继而采用最优点更新准则对代理模型局部精度逐步更新,形成了包括可靠度分析、全局优化搜索和代理模型更新策略在内叁层嵌套的优化设计流程,并用标准数值算例验证其有效性。最后对含缺陷的加筋柱壳结构进行建模和求解,同时与确定性优化设计和初始设计的对比,发现可靠度优化设计比两者具有更好的经济效益和安全性能。
孙海[3]2009年在《结构体系抗震可靠度的优化与控制研究》文中进行了进一步梳理结构可靠度理论可较客观地考虑工程结构在设计、建造和使用过程中经受大量随机现象的影响和作用,并最优地平衡安全与经济的关系。结构可靠度理论已成为设计规范的理论基础,并一直是国内外研究的热点问题。作为绝大部分工程的控制载荷,地震是造成建筑结构破坏、人员伤亡的主要自然灾害之一,如2008年的汶川地震。因此应用可靠度研究并提高结构的抗震能力具有重要的意义。本文从结构体系抗震失效模式特点出发,研究应用广义可靠指标矢量表示复杂情况下的失效模式相关性,进而,应用模态Pushover分析,研究结构体系抗震失效模式特点,根据失效模式特点,发展最弱失效模式理论,提出最弱失效模式组理论。基于上述研究成果,提出了基于最弱失效模式组的性能优化和控制设计,具体内容如下：首先,由于结构的复杂性,随机变量间存在相关性：结构体系的失效模式由多个构件组成,失效模式间往往包含部分相同构件,因此失效模式间具有相关性。基于可靠指标矢量,发展并提出了在广义随机空间即仿射空间中的广义可靠指标矢量,提出了广义可靠指标矢量的优化计算模型。对复杂条件(载荷与抗力耦合等)研究并应用广义可靠指标矢量研究其失效模式相关性表达。其二,在受到单一的随机载荷作用时,结构体系的可靠度可通过最弱失效模式来表示,通过对最弱失效模式的优化达到优化系统可靠度的目标。针对结构遭受复杂力学效应的时候,最弱失效模式理论应用存在一定的困难。本文以概率测度为基础,提出了结构最弱失效模式组理论,提出了结构最弱失效模式组表示结构系统可靠度,优化和控制结构最弱失效模式组来达到优化系统可靠度的目标,并根据最弱失效模式组的意义,提出了可靠指标矢量—PNET方法来求得最弱失效模式组,并通过算例验证优化计算的可行性。其叁,提出了基于最弱失效模式组的结构性能设计。基于性能的结构抗震设计充分考虑了业主、用户与结构设计人员之间的关系,应向全面考虑结构失效模式的影响方面发展,此目标函数中结构失效损失期望的估计考虑了结构的最弱失效模式对应的失效损失,通过两者乘积来代替一般文献中使用的系统可靠度和系统失效损失的乘积,这种做法一方面充分考虑了结构工程中结构性能失效的特点,体现了基于性能设计的原则,全面注重结构的性能、安全及经济,另一方面回避了结构体系可靠度计算与其失效损失的计算复杂性。其四,应用模态Pushover分析表示结构体系的主要失效模式组,将动力分析转换为静力极值问题。以OPENSEES为平台,编制框架结构的模态Pushover分析程序,基于结构体系可靠度的最弱失效模式组理论和模态Pushover,建立模态Pushover分析的基本振型与失效模式关系,将结构体系抗震可靠度分析简化为若干等效单自由度(基本振型)对应的构件可靠度组合。参考我国抗震规范和随机地震动模型参数,给出结构体系抗震可靠度性能的相关参数和方法,实现我国建筑结构体系抗震可靠度的快速评估。其五,研究了结构基于控制的抗灾可靠度优化。首先发展了概率Pushover分析的方法,提出了Pushover-限界分析,通过分析失效路径的方法来找到结构的主要失效模式；接着提出了一种基于控制的结构抗震可靠度优化过程,通过将最弱失效模式的优化运算嵌套在控制模型中,实现了控制结合可靠度优化运算。并通过实际算例验证,本方法可以有效的提高结构可靠度,对结构的抗灾可靠度基础研究有一定的意义。
李春洋[4]2010年在《基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法研究》文中研究表明大型复杂系统和重大产品的可靠性分析与设计技术涉及国家战略需求,已列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》和国家高技术研究发展计划(863计划),相关的理论与技术问题亟待研究。传统可靠性理论在解决复杂系统可靠性分析与设计问题时存在诸多不足。利用传统可靠性理论对复杂系统进行可靠性分析、建模和优化设计时不能真实地表征复杂系统多状态的特点,也不能反映出系统性能与部件性能、系统可靠性与系统性能的关系,无法满足工程需要。多态系统理论能够透彻地反映出系统性能与部件性能的关系,系统性能的变化和系统的多态性,为解决复杂系统可靠性分析与设计问题提供了一条可行的途径。目前,多态系统理论的研究还停留在理论阶段,对于复杂系统在工程中常常具有的多性能参数、部件发生共因失效、数据缺乏等特点,多态系统理论已有的研究成果还不足以解决这些问题。为此,针对复杂系统可靠性分析与设计的工程需求和进一步完善多态系统理论体系的理论需求,本文从部件状态分析、系统结构函数分析、系统可靠性分析及系统可靠性优化设计等不同层面,分层次、系统地研究和完善多态系统理论,建立基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法和流程,为解决复杂系统可靠性分析与优化设计问题提供理论和技术支撑。论文的主要研究内容与结论如下:1.研究了多态部件的状态定义方法及状态概率估算方法针对多态部件的特点,研究了部件状态的定义方法。根据性能试验数据,提出了多态部件状态概率的估算方法——极大似然估计法和Bayes方法,得到了部件状态概率的极大似然估计和Bayes估计。根据性能退化数据,提出了正常退化时和考虑冲击时性能退化部件的状态定义方法和状态概率估算方法。2.分析了多态系统结构函数的特点及定义方法分析了多态系统结构函数的特点以及与传统的系统结构函数的差异,给出了多态系统典型结构的系统结构函数,提出了基于系统物理模型和状态表的系统结构函数定义方法。3.提出了基于向量通用生成函数的多性能参数多态系统可靠性分析方法针对目前多态系统理论在分析多性能参数多态系统上的不足,提出了多性能参数多态系统可靠性分析方法——向量通用生成函数,研究了向量通用生成函数的运算法则,给出了基于向量通用生成函数的多态串-并联系统可靠性分析流程,以及提高向量通用生成函数计算精度和降低计算复杂度的方法。在此基础上,研究了共因失效问题,提出了共因失效组向量通用生成函数的计算方法。4.提出了基于区间分析理论的多态系统区间可靠性分析方法针对工程中无法得到部件状态性能或状态概率精确值的问题,提出了多态系统区间可靠性分析方法——区间通用生成函数,研究了区间通用生成函数的运算法则,解决了当部件状态性能或状态概率为区间数时,多态系统可靠度的计算问题。针对区间通用生成函数在分析过程中存在的区间扩张问题,提出了仿射通用生成函数,解决了区间相关性造成的区间扩张问题,给出了更加准确的多态系统区间可靠度。5.分析了考虑共因失效的多态系统可靠性优化设计问题和多态系统区间可靠性优化设计问题给出了多态系统可靠性的单目标优化设计模型和多目标优化设计模型,对遗传算法进行了改进,提出了混合遗传算法,解决了考虑共因失效时多态系统可靠性优化设计问题。通过定义区间比较算子,解决了多态系统区间可靠性优化设计问题。6.研究了动力系统可靠性分析与优化设计问题,分析了××系统区间可靠性基于本文的研究成果,以××系统为对象开展了应用研究。分别利用传统可靠性理论和多态系统理论分析了动力系统可靠性,并对比了分析结果。结果显示,利用多态系统理论所得可靠度更加准确。根据动力系统的设计要求,对动力系统进行了优化设计,得到了费用更低、可靠度更高的动力系统结构。针对××系统中分系统样本量小的问题,采用本文的多态系统区间可靠性理论,研究了××系统区间可靠性。总之,本文在国家高技术研究发展计划(863计划)和校优秀研究生创新基金的资助下,进一步完善了多态系统理论,为多态系统理论在复杂系统可靠性分析与设计中的应用提供了详细的分析流程。研究成果对多态系统理论的发展具有重要的理论价值,对多态系统理论的工程应用具有重要的指导意义,为解决大型复杂系统和重大产品的可靠性分析与设计问题提供了一条行之有效的技术途径。
江秀红[5]2016年在《多态复杂系统的可靠性分析及维修策略研究》文中提出近年来,随着系统日益大型化、复杂化、精密化以及对系统失效机理和失效规律的不断深入研究,人们发现系统及其构成单元的失效过程往往呈现出多种不同的状态特征。这些系统和单元显然不能简单用成功和失效两种状态来划分,与其相关的可靠性、维修性等问题也不能用传统的二态理论来解决。这就迫使人们开展多态系统(Multi-State System,MSS) MSS可靠性理论的分析研究,以解决复杂系统可靠性分析中存在的诸多问题。多态可靠性理论既能揭示复杂系统状态演变的本质特征,也能定性和定量评估系统可靠性方面的性能,已广泛应用于各种领域。本论文针对多态复杂系统可靠性理论中若干亟待解决的问题,在MSS的可靠性建模、可靠度定量计算、动态可靠性分析、多态单元重要性评估、含冗余单元的MSS维修策略制定及优化等方面展开了深入研究,主要研究内容和研究结果有：(1)为简化多态复杂系统的可靠性建模与定量分析计算,提出了一种基于改进GO法的系统可靠性分析与评估算法—概率矩阵算法(Probability Matrix Algorithm, PMA)。引入状态概率矩阵和联合状态概率矩阵的概念,通过概率矩阵相乘获得信号间所有可能的状态组合,并基于操作符的运算规则推导出常用GO操作符的新定量算式。新算法不仅便于分析信号间的状态耦合关系,而且其算式直观,易于编程。此外针对多态复杂系统中共有信号的修正问题,通过列写概率矩阵方程改进了现有修正算法,既避免了复杂的公式推导,又不限制共有信号的个数和状态维数。以某叁轴平台惯导系统为例,构建了系统可靠性模型—GO图,并利用所开发的PMA计算程序进行了系统静态可靠性分析。计算结果验证了所提PMA以及共有信号修正算法的可行性和有效性。(2)为提高GO法构建多态复杂系统可靠性分析模型的准确性与灵活性,补充了一种新的GO操作符—多态操作符,并基于PMA给出了该操作符的定量算式。多态操作符可实现输入与输出状态间的多种复杂耦合关系,原则上可替代任何一种GO操作符,并且对单元的状态维数和运算规则的复杂程度不敏感。多态操作符弥补了GO操作符存在的不足,完善了MSS的GO法分析理论。(3)为实现可靠性的动态分析,结合GO法和马尔可夫过程理论,建立了单元的可靠性参数随时间变化的状态转移方程,给出了单元和系统动态可靠性的计算模型。只要根据协变量的采样值获得单元处于各状态的瞬时概率分布,即可确定GO图中各操作符的状态概率矩阵,进而获得系统可靠性的动态评估结果。将所提的动态可靠性分析方法应用于某捷联惯导系统,并按系统构成单元的瞬时状态转移概率恒定和可变两种情况分别进行了计算验证。结果证明所提的动态可靠性分析方法是可行的,评价结果可为系统和单元性能的实时准确判断提供可信依据。(4)针对现有多态单元重要性评价中的不足以及维修活动对单元关注的侧重点,借鉴故障树分析中的概率重要度、故障模式的危害度以及多态单元的Birnbaum重要度,综合权衡影响单元维修的风险度、对系统可靠性的贡献度以及检测度等性能指标,引入单元维修重要度(Maintenance Importance, MI)的概念。结合系统实时运行信息,MI可定量评估各时刻的单元重要性。与具有单一评价指标的重要性评价方法相比,由于考虑了单元间的结构关系、经济关系,MI的评价结果更全面,置信度更高。将该评价方法应用于某捷联惯导系统的单元重要度评估中,计算出了各单元在不同维修时刻的维修优先级,为后续维修活动中单元的维修顺序提供了有力支撑。(5)以可靠性为中心维修(Reliability Centered Maintenance, RCM)的思想为指导,利用GO法搭建综合可靠性评估、剩余寿命预测、单元维修重要性评价为一体的系统健康管理平台。通过协变量的采样使平台保持与系统同步,实时计算单元和系统可靠度,并基于动态可靠度预测单元剩余寿命,实现系统和单元性能的准确评估。考虑到冗余单元的存在,为减少不必要的预防性维修,增加系统可用性,只有系统可靠度预测值低于设定阈值时,才根据单元的维修重要度和剩余寿命提出维修计划。基于GO法建立了某捷联惯导系统的健康管理平台,仿真结果证明所提管理平台的设计思路是可行的,评估结果可为后续维修策略的制定提供支撑信息。(6)针对多态复杂冗余系统的预测维修问题,基于维修重要度和GO法提出了无限时段内动态群组维修策略的总体设计思路。以系统可靠度是否达标为准则确定维修时刻,以维修时刻单元的维修重要度为依据确定维修顺序,以维修的单位时间成本最小为目标优化维修范围和维修任务。所提的动态群组维修策略分两级进行,第一级计算维修时刻单元的维修重要度,确定单元的维修顺序；第二级通过已建立的单位时间成本模型选择最优的维修范围和维修任务。此外,针对存在多种维修模式的复杂冗余系统也进行了讨论,并建立了维修策略优化模型。最后以某捷联惯导系统为例,建立了维修的单位时间成本模型,以单位时问成本最小为目标,优化了维修范围和维修活动。计算结果验证了所提动态群组维修策略的有效性,并且与传统的群组维修策略相比,本文所提方法可大大简化在线寻优过程,提高系统实时处理速度。综上,针对多态复杂系统的可靠性建模分析,本文提出了一种系统可靠性定量评估新算法PMA,基于PMA的共有信号修正算法,适用于多态单元建模的多态操作符,以及MSS的动态可靠性分析模型。针对多态复杂冗余系统的预测性维修,引入了多态单元维修重要度的概念,基于GO法搭建了系统健康管理平台,并提出了无限时段内动态群组维修策略的设计与优化思路。本文完成了所提理论和算法在复杂惯导系统中的应用验证,取得了理论创新和实际应用成果,既解决了多态复杂系统在可靠性理论研究中存在的一些问题,又丰富、完善和发展了GO法理论,为基于GO法的多态复杂系统的可靠性分析和维修策略优化提供了有力的基础理论和技术支撑。
郑庆星[6]2016年在《基于可靠度理论考虑风速风向联合分布的高层建筑抗风优化方法研究》文中研究指明针对高层建筑对风荷载的敏感性、风荷载本身的复杂性以及确定风荷载的方法过于保守等问题,本文从概率的角度应用可靠度分析方法充分考虑风向的影响,开展高层结构抗风优化设计的研究工作。在优化设计中以标准模型为优化对象,采用OC法(Optimality Criteria,最优准则法)为优化算法,以结构构件总质量为目标函数,并主要以结构顶部水平位移、各层层间位移和结构自振频率为约束条件,通过调整构件截面尺寸,达到既满足约束条件和结构安全性能要求又实现目标函数最小化的目的。具体包含以下主要内容:(1)对已有的风振响应频域分析方法进行详细推导和对比分析,提出了更加简洁明了、适用于高层抗风优化设计的分析方法,并以超高层结构为工程背景对比各频域方法计算结果的精度、效率,总结各方法的优缺点和适用范围。(2)针对抗风优化设计中等效静风荷载计算及选择困难的问题,推导了多目标等效荷载计算方法,将最大位移、层间位移等风振响应同时作为等效目标,等效出一组可以同时产生这些最大响应的静风荷载,即多目标等效静力风荷载,有效地解决了单目标等效荷载中多个等效目标对应多组等效荷载的问题。(3)根据随机振动理论建立了结构加速度响应与结构自振频率及所受风荷载等参数的显式表达式,并将表达式中的结构基阶自振频率、阻尼比和风速以随机变量来考虑,这样就将加速度的计算表达式转化为由叁类服从一定分布的随机变量(频率、阻尼比和风速)组成的关系式。根据规范中在10年重现期基本风速下对加速度的限制要求,应用可靠度理论从概率的角度来求解对应加速度限值的自振频率,从而将结构加速度限值转化为结构自振频率限值,以便于在结构抗风优化设计中通过瑞利商原理来控制高层建筑的自振频率,从而达到控制其建筑物顶部加速度响应的目的。优化结果证明了考虑风速等变量随机性的必要性和利用可靠度理论建立频率约束限值的实用价值。(4)为了考虑风向的影响和确定合理的设计风荷载,使结构抗风设计更加科学,在气象观测站长年积累的风速测量数据的基础上,建立了风速大小分布及方向分布的概率模型,同时从可靠度的角度出发,将加速度约束条件转化为考虑风速风向联合分布的频率约束条件。进而以条件概率的形式,将加速度限值代入得到每个风向的可靠度方程,然后根据各风向频率计算考虑多风向的失效概率,联立所有风向对应的可靠度方程和失效概率方程,求得了满足所有方向可靠度指标和加速度限值的结构自振频率最低限值,并将其应用于优化设计。优化结果证明考虑联合分布可以提高优化空间,在满足所有约束条件的情况下,目标函数低于单风向下的优化结果,说明了考虑联合分布的必要性和意义。(5)位移和层间位移是结构设计中的主要控制目标,为了克服位移响应需要计算平均、背景和共振响应而导致计算表达式难以确定的问题,本文从最初风洞试验中的风压系数入手,并结合加速度响应的无量纲拟合方法,推导了位移和层间位移的表达式,实现了在优化中以频率约束取代位移约束的目的。然后与加速度响应一样,考虑了风速风向的联合分布,通过对失效概率的控制,得到频率约束的限值条件,并用于优化设计。优化结果与其它工况进行对比,表明将所有响应同时考虑联合分布时能较为明显地体现出本文提出方法的优化价值。
商怀帅[7]2006年在《桁架结构的可靠度分析与优化设计》文中提出本文结合实际工程,基于可靠性原理,根据结构可靠指标的几何意义,在保证桁架在平面外有足够的侧向支撑,给出了在考虑杆件失稳情况下的桁架结构的可靠度计算方法;建立了正态随机变量和非正态随机变量下的结构可靠度计算模型。随后,对该桁架结构体系进行了基于受压杆件稳定的结构体系可靠度计算分析,结果表明:对类似桁架结构体系进行可靠度计算时,失稳的影响不能忽略。 桁架结构优化的过程是通过合理确定结构的杆件截面,使结构在能承受给定荷载并满足多种约束条件的情况下,达到最大限度地降低结构重量的目的。由于实际结构的载荷、强度以及构件的截面面积等都是预先不可确定的,所以,某些参数必须视为随机变量,应采用基于可靠性的优化设计,即必须在可靠性分析的基础上来进行结构优化设计;把结构的可靠度结合到优化问题的约束内,或结合到目标函数之中。基于此,建立了以杆截面为设计变量、结构重量极小化为目标、具有位移、应力等性态可靠性约束的桁架结构优化设计数学模型,最后对实际桁架体系进行的基于可靠度的优化设计,为相似桁架结构的可靠度计算及基于可靠度的优化设计提供参考。
夏侯唐凡[8]2018年在《考虑认知不确定性的多状态系统重要度分析和可靠性评估方法研究》文中研究表明重要度分析是可靠性学科的重要分支,也是系统可靠性分析和设计的关键环节。由于重要度分析能辨识系统的可靠性薄弱环节,尤其是航空、航天、电力和核电站等具有高可靠、长寿命要求的复杂系统,一直以来备受学术界和工业界共同的关注。然而,随着现代工程系统朝着复杂化、大型化和智能化方向发展,传统的基于二状态假设的系统可靠性理论已经无法准确描述此类系统在寿命周期内复杂的状态演变规律,多状态是这类复杂工程系统的典型特征。另一方面,由于小批量、定制化等特点造成的小样本、失效数据不足等原因,在描述系统退化规律和状态辨识时将不可避免地产生认知不确定性。因此,在各类认知不确定性下,如何计算多状态系统可靠度和重要度分析成为当前可靠性领域研究的难点。研究复杂系统重要度分析和可靠性评估需要清楚地掌握各种不确定性来源以及它们对系统和部件状态与可靠性评估的影响机制。本文将从退化参数、状态辨识、专家对系统可靠性特征的经验判断叁个潜在的认知不确定性来源出发,探索在认知不确定性下的复杂系统的重要度分析和可靠度评估方法研究。本文主要研究内容和创新点如下:(1)提出了一种考虑部件退化参数认知不确定性的多状态系统重要度分析方法。针对部件状态转移强度存在认知不确定性的现象,本文采用证据理论对退化参数的认知不确定性进行量化,并利用马尔科夫模型对部件退化规律建模。在此基础上,将传统的多状态系统Birnbaum重要度分析方法扩展到证据理论框架下,得到各部件的重要度区间。最后,采用可能度方法对重要度结果排序,以辨识系统薄弱环节。算例分析表明,考虑部件退化参数认知不确定性时,部件重要度排序结果与不考虑退化参数认知不确定性的重要度排序结果并非完全一致。(2)提出了一种考虑状态辨识认知不确定性的多状态系统组合重要度分析方法。针对专家判断冲突和边界数据不精确分类造成的状态辨识的认知不确定性,本文在证据理论框架下引入不确定性状态以表征该类认知不确定性,构建了证据马尔科夫模型和证据网络,阐明了系统状态演变规律以及认知不确定性的动态传播机制。通过解决系统可靠度区间和条件可靠度区间的相关性,最终将扩展的组合重要度转化为一系列有约束优化问题。算例分析表明,考虑状态辨识认知不确定性时,多状态系统组合重要度扩展成了区间值。同时,在不同区间排序准则下,重要度排序结果并非完全一致。(3)提出了一种融合多源认知不确定性信息的多状态系统可靠性评估方法。鉴于系统在全寿命阶段能获取与系统可靠性特征相关的多源认知不确定性信息,本文提出了一种基于优化框架的多源认知不确定性信息融合方法。该方法在给定部件退化过程服从齐次或非齐次马尔科夫模型的条件下,将系统可靠度评估转化为有约束的优化问题。该优化问题中系统可靠度作为优化目标,多源认知不确定性信息通过部件退化模型的假设转化为约束,部件状态转移强度作为决策变量。最后,通过提出模型选择方法以确定与认知不确定性信息吻合程度最高的马尔科夫模型。算例分析表明,本文基于优化的多源认知不确定性信息融合方法较以往方法能得到更窄的系统可靠度区间,并能有效地融合来自多物理层次和不同时序上的认知不确定性信息。
雷红军[9]2006年在《基于有限元法的地基基础可靠度分析与优化设计》文中研究指明地基基础工程中存在大量的不确定因素,工程设计中处理这些不确定性的方法是安全系数法。安全系数法在理论上存在一些缺陷,其结果无法完整清晰地评价工程安全度,经常会造成工程设计的较大风险或设计上的浪费。而可靠度设计计算方法比安全系数法更科学合理,可以弥补安全系数法的诸多不足,得出更多合理的安全性评价指标。因而地基基础工程中可靠度方法的应用研究具有重要的理论与实际意义。本文运用理论分析、试验分析与数值模拟等手段,对结构可靠度计算方法、基于有限元法的地基基础可靠度分析及优化设计等问题进行了重点研究,主要内容如下:(1)介绍了结构可靠度理论的基本概念与常用计算方法;基于误差传播理论,提出一种较为简单的可靠度计算方法,通过对膨胀土路基沉降的可靠度计算及与JC法计算结果的比较,表明该方法简单可靠,精度能满足工程要求。(2)介绍了两种常用的蒙特卡罗抽样方法;通过水泥复合土工程试验实例研究了统计学中正交试验设计法在土工试验中的应用,表明该方法科学合理,可大大减少试验次数;在此基础上,将正交试验法应用于蒙特卡罗抽样,提出一种改进的抽样方法,可减少蒙特卡罗法的模拟次数,提高模拟效率。(3)将蒙特卡罗法与有限元法相结合,借助于ANSYS软件,在计算机上实现蒙特卡罗-有限元法分析结构的可靠度。通过筏板基础的可靠度分析,表明该方法可方便地进行地基基础可靠度分析、显着提高可靠度分析的效率与精度。(4)运用结构优化设计理论与结构有限元分析方法,探讨了基础工程的优化设计,借助ANSYS软件实现优化设计的过程。以筏板基础可靠度为状态函数,通过优化迭代过程实现了筏板厚度的优化。
张天霄[10]2014年在《液压元件的可靠性设计和可靠性灵敏度分析》文中研究说明液压技术和装置已经广泛地应用于各种工业的设备之中，液压元件与系统的可靠性直接关联到液压装置和机械设备的工作运行的可靠性，因此液压关键元件的可靠性设计和可靠性灵敏度分析具有非常重要的学术理论价值与实际应用价值，对于提高整个设备系统的可靠性至关重要。本文在液压元件和系统的基本随机参数的数字特征已知的情况下，应用现代矩阵理论、概率统计理论、液压技术、随机矩方法、振动冲击理论、可靠性设计方法、灵敏度分析方法等现代数学力学理论与方法对液压元件的典型失效模型进行了研究和进行了典型液压元件的可靠性设计与可靠性灵敏度分析。主要研究内容如下：①推导了前四阶矩函数的矩阵形式的表征关系式，并且演化了矩阵、矩阵的迹、矩阵Kronecker积等多种描述形式，同样给出各种矩阵形式的微分运算公式，完美的矩阵格式易于编写程序，获取结构系统可靠性设计与结构系统可靠性灵敏度分析信息更加方便有效，并且据此提出了机械可靠性设计和可靠性灵敏度分析的矩阵随机矩方法，从而为结构系统的可靠性设计和可靠性灵敏度分析提供理论支撑。②提出了液压管道在液压冲击环境下的可靠性设计与可靠性灵敏度分析方法，推导出了液压管道在液压冲击振动环境下的状态函数的数字特征表述公式，仿真确定了液压管道的可靠度和可靠性灵敏度，给出了设计参数的改变对液压管道系统可靠性的影响规律，解决了液压冲击环境下液压管道的可靠性分析和设计问题，通过计算机程序实现了对液压冲击环境下液压管道的可靠性设计和可靠性灵敏度分析。③提出了液压阀的可靠性设计和可靠性灵敏度分析方法，在对液压阀进行磨损失效分析的基础上，研究了液压阀的受力分析，推导出了液压阀抗磨损可靠性的状态函数的数字特征表述公式，仿真确定了液压阀的可靠度和可靠性灵敏度，给出了设计参数的改变对液压阀可靠性的影响规律，解决了液压阀的抗磨损可靠性分析和设计问题，通过计算机程序实现对液压阀的可靠性设计和可靠性灵敏度分析。④提出了液压柱塞泵关键元件抗磨损和抗疲劳的可靠性设计和可靠性灵敏度分析方法，在对液压柱塞泵进行抗磨损比功分析和抗疲劳强度分析的基础上，研究了液压柱塞泵的运动分析和受力分析，推导出了柱塞泵中滑靴与斜盘摩擦副抗磨损可靠性以及柱塞抗疲劳可靠性的状态函数的数字特征表述公式，仿真确定了柱塞泵中滑靴与斜盘摩擦副的抗磨损和柱塞的抗疲劳的可靠度和可靠性灵敏度信息，给出了设计参数的改变对液压柱塞泵可靠性的影响规律，解决了液压柱塞泵关键元件的可靠性分析和设计问题，通过计算机程序实现对液压柱塞泵关键元件的可靠性设计和可靠性灵敏度分析。⑤分别提出了液压管道的振动模型和分析方法、液压阀的振动模型和分析方法、液压柱塞泵的振动模型和分析方法。首先，采用Housner流液管道的振动微分方程模型，推导出了两端铰支的液压管道的固有频率和振动响应的解析形式，很好地解决了两端铰支的液压管道的振动问题，通过计算机程序实现对液压管道的定量动态数值模拟仿真；而后，建立了在液压冲击环境下液压阀的振动模型，提出了液压阀的固有频率和动态响应的分析方法，通过计算机程序仿真了液压阀的振动状况；再者，建立了在液压柱塞泵的脉动振动模型，提出了液压柱塞泵的固有频率和稳态响应的分析方法，通过计算机程序实现对液压柱塞泵的动态数值模拟仿真。在综述现有文献的基础之上，论文完成了以上的主要研究内容和创新之处，基本建立了液压元件和系统的可靠性分析和设计的主要研究框架，可以很好地解决了液压元件和系统可靠性设计和可靠性灵敏度分析以及相关的振动问题，为液压元件和装置的安全可靠运行提供了坚实理论和技术保障。
参考文献：
[1]. 控制系统可靠度分析与优化设计[D]. 高仁璟. 大连理工大学. 2002
[2]. 结构可靠度优化设计的高效稳健算法研究[D]. 孟增. 大连理工大学. 2015
[3]. 结构体系抗震可靠度的优化与控制研究[D]. 孙海. 哈尔滨工程大学. 2009
[4]. 基于多态系统理论的可靠性分析与优化设计方法研究[D]. 李春洋. 国防科学技术大学. 2010
[5]. 多态复杂系统的可靠性分析及维修策略研究[D]. 江秀红. 大连理工大学. 2016
[6]. 基于可靠度理论考虑风速风向联合分布的高层建筑抗风优化方法研究[D]. 郑庆星. 广州大学. 2016
[7]. 桁架结构的可靠度分析与优化设计[D]. 商怀帅. 大连理工大学. 2006
[8]. 考虑认知不确定性的多状态系统重要度分析和可靠性评估方法研究[D]. 夏侯唐凡. 电子科技大学. 2018
[9]. 基于有限元法的地基基础可靠度分析与优化设计[D]. 雷红军. 华中科技大学. 2006
[10]. 液压元件的可靠性设计和可靠性灵敏度分析[D]. 张天霄. 吉林大学. 2014
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