專(zhuān)利名稱：考慮認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的齒輪傳動(dòng)多學(xué)科可靠性分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)雜產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多源不確定性條件下齒輪傳動(dòng)的多學(xué)科可靠性分析方法。
背景技術(shù)：
齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是諸如航空航天飛行器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶、大型機(jī)電設(shè)備、武器裝備和車(chē)輛等大型復(fù)雜裝備中常見(jiàn)的動(dòng)力傳動(dòng)形式。齒輪傳動(dòng)的性能尤其是可靠性直接決定了大型復(fù)雜裝備的質(zhì)量。因此，人們從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和產(chǎn)品維護(hù)等方面對(duì)齒輪傳動(dòng)的可靠性開(kāi)展了相關(guān)研究。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)70% 80%，可見(jiàn)設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的固有可靠性，賦予了產(chǎn)品“先天優(yōu)劣”的本質(zhì)特性。因此，齒輪傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)得到了廣泛關(guān)注和深入研究，而可靠性分析是可靠性設(shè)計(jì)中最為核心的部分，直接決定了可靠性設(shè)計(jì)的成敗。因此，齒輪傳動(dòng)的可靠性分析研究對(duì)于提高其可靠性設(shè)計(jì)水平及大型裝備的可靠性管理水平具有重要意義。目前，齒輪傳動(dòng)的可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程中僅僅考慮隨機(jī)不確定性，其相關(guān)研究已趨于成熟。然而，在實(shí)際的齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于受制造加工、產(chǎn)品裝配、材料特性、施加載荷及外界環(huán)境等因素的影響不僅存在大量的隨機(jī)不確定性，而且也存在一定程度的認(rèn)知不確定性。認(rèn)知不確定性由于不具備充足的數(shù)據(jù)和信息而無(wú)法構(gòu)建概率密度函數(shù)，無(wú)法采用傳統(tǒng)的概率理論對(duì)其進(jìn)行表達(dá)與量化，如果人為地對(duì)其假設(shè)必將造成設(shè)計(jì)結(jié)果的不可靠， 目前這種方法已受到前所未有的質(zhì)疑。因此，針對(duì)不同的不確定性如何科學(xué)地選擇合理的量化方法對(duì)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的不確定性進(jìn)行量化、開(kāi)展兼顧計(jì)算效率和設(shè)計(jì)成本的多學(xué)科可靠性分析具有重要實(shí)用價(jià)值和理論指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種考慮認(rèn)知與隨機(jī)不確定性的齒輪傳動(dòng)多學(xué)科可靠性分析方法，齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖(1)所示，該方法充分考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)和認(rèn)知不確定性，將單學(xué)科可靠性分析方法與并行子空間設(shè)計(jì)優(yōu)化策略進(jìn)行有效集成，給出了齒輪傳動(dòng)的多學(xué)科可靠性分析方法，為科學(xué)地保證齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的可靠性提供了保障。本發(fā)明方法包括認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的量化、廣義的多學(xué)科可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)、可靠性分析方法與并行子空間優(yōu)化策略的集成、基于功能度量法的多學(xué)科可靠性分析建模、基于序列化思想的多學(xué)科可靠性分析過(guò)程解耦、多學(xué)科概率可靠性分析和多學(xué)科凸模型極值分析。以下詳細(xì)介紹本

發(fā)明內(nèi)容
一、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)知與隨機(jī)不確定性的量化針對(duì)具有充足數(shù)據(jù)和信息的隨機(jī)變量(^)采用概率理論對(duì)其進(jìn)行量化，選取概率密度函數(shù)？100，給出均值A(chǔ) =[x〖]和方差ο i ；對(duì)于數(shù)據(jù)殘缺和信息不完備的認(rèn)知不確定性變量OO采用凸模型進(jìn)行描述與量化，設(shè)定均值戰(zhàn)=[<]，給出特征矩陣Wj以及參數(shù)不確定
權(quán)利要求
1.一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于包括認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的量化、廣義的多學(xué)科可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)、可靠性分析方法與并行子空間優(yōu)化策略的集成、基于功能度量法的多學(xué)科可靠性分析建模、基于序列化思想的多學(xué)科可靠性分析過(guò)程解耦、多學(xué)科概率可靠性分析和多學(xué)科凸模型極值分析。
2.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性量化是針對(duì)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知不確定性和隨機(jī)不確定性，分別采用更為合適的數(shù)學(xué)理論進(jìn)行量化，建立認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的綜合量化方法，具有不確定性的設(shè)計(jì)參數(shù)為齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒面寬度、軸承間距以及齒輪直徑，不確定性來(lái)源包括加工誤差、裝配誤差、材料特性、施加載荷以及外界工作環(huán)境等因素造成的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性，量化過(guò)程包括以下步驟步驟1.開(kāi)始；步驟2.設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性數(shù)據(jù)的是否完備，是，進(jìn)入步驟3，否則進(jìn)入步驟4 ；步驟3.對(duì)于數(shù)據(jù)完備、信息充分的設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性采用概率理論進(jìn)行量化，選取概率分布函數(shù)，設(shè)定均值μ和方差σ ；步驟4.對(duì)于數(shù)據(jù)不完備、信息殘缺的設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性采用凸模型進(jìn)行量化，確定取值區(qū)間Δ I、特征矩陣W和參數(shù)不確定程度ε ；步驟5.結(jié)束。
3.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的廣義的多學(xué)科可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)是具有穩(wěn)健性的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，具有兩個(gè)度量指標(biāo)而非傳統(tǒng)的單一度量指標(biāo)，所提可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的差值定量反應(yīng)了認(rèn)知不確定性對(duì)其影響程度，該評(píng)價(jià)指標(biāo)更為符合實(shí)際工程的可靠性評(píng)價(jià)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的可靠性分析方法與并行子空間優(yōu)化策略的集成，將應(yīng)用于單學(xué)科的可靠性分析方法擴(kuò)展到具有耦合關(guān)系的多學(xué)科可靠性分析領(lǐng)域，集成過(guò)程包括以下步驟步驟1.開(kāi)始；步驟2.對(duì)多學(xué)科可靠性分析過(guò)程進(jìn)行分析，包括多學(xué)科分析、全局靈敏度分析和最可能失效點(diǎn)搜索(Most Probable Point，MPP點(diǎn)搜索)；步驟3.對(duì)并行子空間優(yōu)化策略的過(guò)程進(jìn)行分析，包括多學(xué)科分析、全局靈敏度分析、 并行子空間和系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)優(yōu)化；步驟4.將單學(xué)科可靠性分析方法與并行子空間優(yōu)化策略集成，并行子空間優(yōu)化策略的多學(xué)科分析與全局靈敏度分析為多學(xué)科可靠性分析提供極限狀態(tài)函數(shù)的值和梯度信息；步驟5.結(jié)束。
5.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的基于功能度量法的多學(xué)科可靠性分析建模，采用可靠度等效思想將原基于可靠度指標(biāo)法的多學(xué)科可靠性分析模型轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝?、穩(wěn)定的基于功能度量法的多學(xué)科可靠性分析模型，轉(zhuǎn)換過(guò)程包括以下步驟 步驟1.開(kāi)始；步驟2.設(shè)定可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)(β = 3.0)并將其設(shè)為最小化優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將約束函數(shù)& ( · ) = 0確定為約束條件，即在滿足& ( · ) = 0的情況下求出可靠度的最小值；步驟3.采用等效思想，將約束函數(shù)&(·) =0確定為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，約束條件為設(shè)定的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)(β =3.0)，即在滿足可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)的約束下求出約束函數(shù)的最小值；步驟4.根據(jù)約束函數(shù)的優(yōu)化值判斷是否滿足可靠性要求； 步驟5.結(jié)束。
6.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的基于序列化思想的多學(xué)科可靠性分析過(guò)程解耦，針對(duì)嚴(yán)重耦合的多學(xué)科可靠性分析過(guò)程，采用序列化思想對(duì)其進(jìn)行解耦，進(jìn)而形成一個(gè)單循環(huán)遞推多學(xué)科可靠性分析，具體過(guò)程包括以下步驟步驟1.開(kāi)始；步驟2.固定認(rèn)知不確定性，執(zhí)行多學(xué)科分析，進(jìn)行最有可能失效點(diǎn)(MPP點(diǎn))搜索； 步驟3.固化隨機(jī)不確定性，執(zhí)行多學(xué)科分析，進(jìn)行凸模型極值分析； 步驟4.設(shè)置收斂條件，進(jìn)行收斂性驗(yàn)證； 步驟5.結(jié)束。
7.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的多學(xué)科概率可靠性分析，將單學(xué)科可靠性分析方法與并行子空間優(yōu)化策略進(jìn)行集成，基于改進(jìn)的高等均值法對(duì)具有耦合關(guān)系的多學(xué)科系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，具體過(guò)程包括以下步驟步驟1.開(kāi)始；步驟2.執(zhí)行系統(tǒng)分析，求出狀態(tài)變量yk和極限狀態(tài)函數(shù)g (Xk)的值； 步驟3.執(zhí)行系統(tǒng)靈敏度分析，利用全局靈敏度方程(GlcAal Sensitivity Equation, GSE)獲得極限狀態(tài)函數(shù)的梯度V §(功；步驟4.進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換，把隨機(jī)不確定性變量&轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間的變量uk，求出極限狀態(tài)函數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)空間的梯度▽ g ( ); 步驟5.按照改進(jìn)的高等均值法更新Uk ；步驟6.根據(jù)式(1)計(jì)算Uk和Vg(A)的之間的夾角，如果Yk< ε，跳轉(zhuǎn)到步驟9，否則跳轉(zhuǎn)到步驟(7)，ε是一個(gè)很小的角度，例如0.01°。
8.如權(quán)利要求1所述的一種考慮齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的多學(xué)科可靠性分析方法，其特征在于所述的多學(xué)科凸模型極值分析，基于KKT條件等效替代凸模型極值分析，提高大規(guī)模、多耦合多學(xué)科可靠性分析的效率，具體過(guò)程包括以下步驟步驟1.開(kāi)始；步驟2.執(zhí)行系統(tǒng)分析，求出狀態(tài)變量yk和極限狀態(tài)函數(shù)g (Vk)的值； 步驟3.采用拉格朗日乘子法構(gòu)建拉格朗日優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； 步驟4.基于偏微分分別對(duì)認(rèn)知不確定性變量和λ求導(dǎo)，并分別令其為零； 步驟5.根據(jù)KKT條件求出極值點(diǎn)；步驟6.將極值點(diǎn)帶入極限狀態(tài)函數(shù)g (Vk)，求出極大值和極小值；步驟7.根據(jù)極大值與極小值的差值確定認(rèn)知不確定性對(duì)該極限狀態(tài)函數(shù)的影響程度；步驟8.判別極限狀態(tài)函數(shù)g(vk)的極小值是否大于零，是，則滿足可靠性要求，否則， 不滿足可靠性要求，采用移動(dòng)策略對(duì)隨機(jī)不確定性向安全區(qū)域移動(dòng)，構(gòu)建新的極限狀態(tài)函數(shù)并進(jìn)行新一輪的多學(xué)科可靠性分析； 步驟9.結(jié)束。
全文摘要
一種考慮實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中認(rèn)知與隨機(jī)不確定性的齒輪傳統(tǒng)多學(xué)科可靠性分析方法，屬于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化與可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，其包括齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒面寬度、軸承間距以及齒輪直徑由于加工、裝配、材料特性、施加載荷及外界環(huán)境等因素造成的認(rèn)知和隨機(jī)不確定性的量化、多學(xué)科可靠性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立、可靠性分析方法與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化策略的集成、多學(xué)科可靠性分析過(guò)程的解耦和基于功能度量法的多學(xué)科可靠性分析方法。本發(fā)明提供了認(rèn)知與隨機(jī)不確定性的綜合量化方法，建立了更為符合工程實(shí)際的多學(xué)科可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，將傳統(tǒng)可靠性分析方法與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化策略進(jìn)行集成，為齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品的可靠性分析提供了新思路。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102446239SQ201110277670
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者劉繼紅, 安向男, 李連升 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)