[发明专利]时变不确定条件下机械臂多学科可靠性设计优化方法

说明书

本发明公开了一种时变不确定条件下机械臂多学科可靠性设计优化方法；其包括构建机器人机械臂的多学科设计优化模型，构建基于随机过程的时变不确定条件下的机器人机械臂时变可靠性模型，计算机器人机械臂的多学科设计优化优化解，计算机器人机械臂在该多学科设计优化优化解下的可靠度实现对机器人机械臂的多学科可靠性设计优化。本发明解决了机械产品在未来任一时刻的可靠度求解问题，提高了设计结果的可靠性，延长了机械产品的使用寿命，降低了机械产品的维修费用，能够满足现代工业对于产品高可靠性的要求。

技术领域

本发明属于机械产品多学科设计优化技术领域，尤其涉及一种时变不确定条件下机械臂多学科可靠性设计优化方法。

背景技术

现代复杂机械系统是一种结构复杂、功能需求多、性能指标要求高的产品，如何在保证高可靠性的前提下实现满足用户复杂功能和性能要求的产品设计方案是一个极其困难的问题。传统的复杂机械系统设计是依次按照功能－结构－强度进行循环设计。这种串行模式实质上是在不同的设计阶段设计人员选择不同的侧重点学科进行设计，将同时影响复杂机械系统性能的结构、强度、振动和热力等学科人为地割裂开来，没有考虑各个学科之间的相互作用及影响。这种传统的逐步近似的螺旋线串行设计模式越来越难以满足复杂机械系统研发周期短、性能安全可靠发展的现代设计要求。因此有必要对复杂机械系统进行能够有效缩短设计周期、减少设计成本以及最大程度获得全局最优设计方案的MDO(Multidisciplinary Design Optimization，简称MDO)。MDO是复杂机械系统现代设计的主要发展趋势。

对于机械产品来说，由于其自身的材料性能、所处环境情况、使用时间、荷载效应等时变不确定性因素的影响，产品性能一般会随使用时间的增加而出现逐渐减弱的趋势，这一逐渐减弱的过程是一个动态时变过程。由于复杂机械系统的退化失效是导致产品最终失效的主要原因，对MDO中的不确定性研究必然从静态向动态转变。导致大量产品最终失效的时变不确定性因素是MDO的重点研究工作。

机器人系统是由多个部件和子系统组成的复杂系统，相互之间又具有很多不同成都的耦合关系，是一个典型的多学科设计优化问题。现有的设计方法大多忽略实际中时变不确定性因素的影响，这样会导致的设计结果不可靠，使用寿命不长、维修费用增加；而且及现有设计方法无法满足现代工业对于产品高可靠性的要求。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术因忽略工程实际中时变不确定性因素的影响而导致的设计结果不可靠，使用寿命不长、维修费用增加以及现有设计方法无法满足现代工业对于产品高可靠性的要求等问题以上问题，本发明提出了一种时变不确定条件下机械臂多学科可靠性设计优化方法。

本发明的技术方案是：一种时变不确定条件下机械臂多学科可靠性设计优化方法，包括以下步骤：

S1、以机器人机械臂作为优化目标，利用多学科优化方法构建机器人机械臂的多学科设计优化模型；

S2、考虑时变不确定因素对机器人机械臂的影响，构建基于随机过程的时变不确定条件下的机器人机械臂时变可靠性模型；

S3、利用步骤S1中构建的机器人机械臂的多学科设计优化模型对机器人机械臂进行多学科设计优化，得到机器人机械臂的多学科设计优化优化解；

S4、将步骤S3中得到的机器人机械臂的多学科设计优化优化解代入步骤S2中构建的基于随机过程的时变不确定条件下的机器人机械臂时变可靠性模型，计算机器人机械臂在该多学科设计优化优化解下的可靠度，实现对机器人机械臂的多学科可靠性设计优化。

进一步地，所述步骤S1以机器人机械臂作为优化目标，利用多学科优化方法构建机器人机械臂的多学科设计优化模型，具体包括以下分步骤：

S11、以机器人机械臂作为优化目标，将机器人机械臂设计分解为n个子学科；

S12、将机器人机械臂的系统级优化目标函数的数学模型表示为：