[发明专利]考虑混合不确定性的结构可靠性优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，尤其涉及一种考虑混合不确定性的结构可靠性优化设计方法。

背景技术

人类很早就认识到工程设计中存在的不确定性现象。在机械产品的设计、加工制造和使用过程中，产品的结构形式、几何参数、材料性能、承受的载荷以及运行环境等都是不确定性的。设计人员通常引入安全系数来减少或避免不确定性因素对产品性能的影响。安全系数法简单易行，根据人们对工程实践的主观认识和经验积累来做出主观判断，是人类早期的工程设计中应用最为广泛的方法。时至今日，安全系数法依然在工程设计领域占有举足轻重的地位。但是，安全系数本质上是基于设计人员的主观判断，不能够定量地反映不确定性因素对产品性能的客观影响，从而不能够定量地反映产品的安全程度。如果不能够客观地考虑不确定性的影响，设计结果往往由于对输入数据的变化比较敏感而导致性能损失。随着科学技术的快速发展，机械系统日趋复杂化、轻巧化、精密化，人们对机械系统的稳定性、可靠性、安全性等性能要求也日益提高。特别是在航空航天、能源、军事、交通等关系国计民生的重要领域，执行关键任务的复杂机械装备一旦发生事故，会造成难以承受的严重后果，直接威胁到社会的稳定、国家的安全以及人民的生命财产。对于这类由多个机构和部件组成的复杂机械系统，其中包含的不确定性因素对系统性能的影响日益突出，简单地用安全系数来回避不确定性因素，己经很难获得满意的设计结果。因此，人们逐渐意识到只有深入地分析和讨论产品中存在的不确定性现象，并提出一种行之有效的处理方法，才能获得高性价比的产品设计。

目前，根据不确定性本质的不同，人们将不确定性分为随机不确定性和认知不确定性，并相应地研究了处理各类不确定性的理论和方法，其中具有代表性的包括概率模型、可能性模型和区间模型等。认知不确定性本质上是由于数据缺乏、信息不完备或知识不足等情况引起的，这些情况在机械产品的设计阶段是经常会遇到的情况。概率模型是人们研究最为广泛的一种模型，它能够有效地处理只包含随机不确定性的情况，但是在处理认知不确定性时，其结果却不尽如人意。可能性模型是一种和概率模型平行的处理不确定性的模型。在结构可靠性设计领域中，最初引入可能可靠性理论就是为了处理包含认知不确定性的情况，虽然其理论研究起步相对较晚，但在处理包含认知不确定性的可靠性问题时已经表现出不俗的能力。然而，在设计机械产品时，遇到的更多情况是同时包含了随机和认知不确定性的情况。而关于混合不确定性的可靠性优化问题，目前还没有一套统一的、公认的、有效的方法体系。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种考虑混合不确定性的结构可靠性优化设计方法。

本发明的技术方案是：一种考虑混合不确定性的结构可靠性优化设计方法，包括以下步骤：

A、根据结构系统设定确定性设计变量、可能性设计变量和随机设计变量；

B、构建混合不确定性下的优化模型；

C、采用可能性中值的不确定性表征方法，基于顺序优化与可靠性评估思想对结构系统系统进行优化，获得优化结果。

进一步地，所述步骤B构建混合不确定性下的优化模型，表示为

find d,X_f,X_r

min f(d,X_f,P_f,X_r,P_r)

s.t. Π(g_i(d,X_f,P_f,X_r,P_r)＞0)≤α_i,i＝1,2...n

g_j(d,X_r,P_r)≤0,j＝1,2...m

其中，f(·)为目标函数，d为确定性设计变量，X_f为可能性设计变量，P_f为可能性设计参数，X_r为随机设计变量，P_r为随机设计参数，g_j(·)为第j个确定性约束，П(·)≤α_i为第i个可靠性约束，g_i(·)为失效模式，α_i为失效可能度。

进一步地，所述步骤C采用顺序优化与可靠性评估方法对待优化系统进行优化，获得优化结果，具体包括以下分步骤：