本發(fā)明涉及一種考慮概率和區(qū)間不確定性的高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的可靠性設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：在高速壓力機(jī)工作過程中，高頻沖裁力始終作用在底座上，其設(shè)計優(yōu)劣直接影響著高速壓力機(jī)的沖壓精度和配套模具的使用壽命。因此，在高速壓力機(jī)的可靠性設(shè)計過程中，對底座的動態(tài)特性提出較高的可靠性要求。在高速壓力機(jī)底座的可靠性設(shè)計過程中普遍存在著各種不確定因素，如材料特性、邊界條件和載荷等，這些不確定因素只存在單一類型變量的結(jié)構(gòu)并不多見，混合變量共存的現(xiàn)象往往更為普遍。其中，一部分不確定因素能夠獲得足夠的信息來描述其精確的概率分布情況，另一部分不確定因素由于缺乏足夠的數(shù)據(jù)信息等原因不能確定其概率分布，只能確定其變化范圍。若僅用一種概率模型或非概率模型對這些不確定因素進(jìn)行描述難以得到滿意的結(jié)果。此時，利用概率-非概率混合模型可以獲得更加客觀合理的優(yōu)化結(jié)果。目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者對基于概率-非概率混合不確定性模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究。e1ishakoff等人于1993年在《computermethodsinappliedmechanics&engineering》(1993,104(2):187-209)上發(fā)表的論文“combinationofprobabilisticandconvexmodelsofuncertaintywhenscarceknowledgeispresentonacousticexcitationparameters”中提出一種將概率模型和凸模型相結(jié)合的混合模型來處理隨機(jī)振動系統(tǒng)的參數(shù)不確定性問題。郭書祥等人于2002年在《機(jī)械強(qiáng)度》(2002,24(4):524-526)上發(fā)表的論文“結(jié)構(gòu)可靠性分析的概率和非概率混合模型”中建立用于結(jié)構(gòu)可靠性分析的概率-非概率混合模型并通過逐次構(gòu)建兩級功能方程，提出結(jié)構(gòu)可靠性分析的概率度量方法。luo等人于2009年在《computers&structures》(2009,87(21–22):1408-1415)上發(fā)表的論文“structuralreliabilityassessmentbasedonprobabilityandconvexsetmixedmodel”中基于概率和凸集混合模型，提出一個由最小嵌套優(yōu)化問題得到的可靠性指標(biāo)來評估結(jié)構(gòu)的安全性。然而，概率-非概率混合不確定性優(yōu)化設(shè)計的研究仍然存在許多技術(shù)問題和難點需要解決，例如概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型的求解問題以及混合模型中可靠性指標(biāo)問題等。另外，現(xiàn)有的方法對高速壓力機(jī)底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計時，往往忽略了對其動態(tài)特性進(jìn)行可靠性設(shè)計研究。因此，有必要提出一種考慮概率和區(qū)間不確定性的高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的可靠性優(yōu)化設(shè)計方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決實際工程中不確定因素混合共存情況下高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性可靠性設(shè)計問題，本發(fā)明提供了一種考慮概率和區(qū)間不確定性的高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的可靠性設(shè)計方法，選擇在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值作為可靠性指標(biāo)，建立高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型，構(gòu)建高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性對應(yīng)的功能函數(shù)的多項式響應(yīng)面模型，結(jié)合遺傳算法和改進(jìn)的一次二階矩法對概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型進(jìn)行雙層嵌套優(yōu)化，內(nèi)層進(jìn)行區(qū)間分析，外層進(jìn)行基于概率的可靠性分析，這樣不僅可以使概率可靠度滿足可靠性要求，也可以保證區(qū)間可靠度即最差情形下也能夠滿足可靠性要求，同時也可以保持較高的計算效率，獲得準(zhǔn)確可靠的計算結(jié)果。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種考慮概率和區(qū)間不確定性的高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的可靠性設(shè)計方法，該方法包括以下步驟：1)選擇在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值作為可靠性指標(biāo)，建立高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型：以概率變量描述設(shè)計變量，以區(qū)間變量描述不確定因素，確定概率變量的分布類型和區(qū)間變量的取值范圍，選擇在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值作為可靠性指標(biāo)，使得功能函數(shù)滿足一定的可靠性要求，建立高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型：findxs.t.rmin[g(x,u)>0]≥ηx＝(x1,x2,…,xn),u＝(u1,u2,…,um).式中，x為n維設(shè)計向量，u為m維不確定向量，g(x,u)為高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性對應(yīng)的功能函數(shù)，rmin為在區(qū)間變量影響下的可靠度的最小值，η為功能函數(shù)需要滿足的可靠性要求；2)采用拉丁超立方采樣完成初始采樣，通過協(xié)同仿真技術(shù)獲得高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的響應(yīng)值；3)構(gòu)建高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性對應(yīng)的功能函數(shù)的多項式響應(yīng)面模型；4)結(jié)合遺傳算法和驗算點法(改進(jìn)的一次二階矩法)對高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型進(jìn)行雙層嵌套優(yōu)化：內(nèi)層進(jìn)行區(qū)間分析，采用遺傳算法計算功能函數(shù)的最小值和對應(yīng)的區(qū)間向量值；外層進(jìn)行基于概率的可靠性分析，采用驗算點法計算概率向量值和在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值；當(dāng)在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值達(dá)到可靠性要求且功能函數(shù)達(dá)到精度要求時，輸出高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型的最優(yōu)解。進(jìn)一步地，所述步驟2具體為：采用拉丁超立方采樣獲得取值范圍為[0,1]的具有空間均布性的樣本點，并將其反歸一化到輸入向量空間中去，完成對設(shè)計向量和不確定向量的初始采樣；使用三維建模軟件構(gòu)建高速壓力機(jī)底座的參數(shù)化模型，通過接口技術(shù)實現(xiàn)三維建模軟件和有限元分析軟件間參數(shù)的雙向動態(tài)傳遞，并調(diào)用高速壓力機(jī)底座的參數(shù)化模型進(jìn)行有限元分析計算，得到樣本點所對應(yīng)的高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的響應(yīng)值。進(jìn)一步地，所述步驟3具體為：根據(jù)包含輸入輸出信息的樣本點數(shù)據(jù)，構(gòu)建高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性對應(yīng)的功能函數(shù)的多項式響應(yīng)面模型。用最小二乘法計算出多項式中的所有系數(shù)，得到多項式響應(yīng)面模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后利用樣本點檢測多項式響應(yīng)面模型的擬合精度。若滿足精度要求，則采用該多項式響應(yīng)面模型；若不滿足，調(diào)整各多項式子項構(gòu)成并重新擬合直到滿足精度要求，進(jìn)而得到功能函數(shù)的多項式響應(yīng)面模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。本發(fā)明具有的有益效果是：1)針對工程實際中不確定因素往往是混合類型變量共存的情況，以概率變量描述設(shè)計變量，以區(qū)間變量描述不確定因素，選擇在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值作為可靠性指標(biāo)，使得功能函數(shù)滿足一定的可靠性要求，建立高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性的概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型，更加符合工程實際中對高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性進(jìn)行可靠性設(shè)計的實際需求。2)根據(jù)遺傳算法和改進(jìn)的一次二階矩法，結(jié)合多項式響應(yīng)面模型技術(shù)實現(xiàn)對概率-區(qū)間混合可靠性設(shè)計模型的優(yōu)化求解，不僅可以滿足底座的可靠性設(shè)計要求，也可以保持較高的計算效率，獲得準(zhǔn)確可靠的計算結(jié)果。附圖說明圖1是基于概率-區(qū)間的底座可靠性設(shè)計流程圖。圖2是高速壓力機(jī)底座三維實體模型圖。圖3是高速壓力機(jī)底座橫截面圖及主要設(shè)計尺寸。具體實施方式以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖中涉及信息為本發(fā)明在某型號高速壓力機(jī)底座動態(tài)特性可靠性設(shè)計中的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)，圖1是基于概率-區(qū)間的底座可靠性設(shè)計流程圖。1、基于概率-區(qū)間的底座動態(tài)特性可靠性設(shè)計模型的建立選擇型號為300l4的高速壓力機(jī)的底座為研究對象，如圖2所示。底座的橫截面圖和主要設(shè)計尺寸，如圖3所示。由于高速壓力機(jī)在工作過程中，其高頻沖裁力始終作用在底座上，因此，對底座的動態(tài)特性提出較高的可靠性要求?，F(xiàn)對底座的動態(tài)特性進(jìn)行基于概率-區(qū)間混合模型的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，以底座橫截面主要尺寸l1、l2、h為概率變量，以彈性模量e和泊松比v為區(qū)間變量，其分布類型和取值范圍見表1。表1底座不確定參數(shù)的分布不確定量l1/mml2/mmh/mme/mpav參數(shù)160020015001.26x1050.23參數(shù)24025751.54x1050.27分布類型正態(tài)正態(tài)正態(tài)區(qū)間區(qū)間注：對于正態(tài)分布，參數(shù)1和參數(shù)2分別代表隨機(jī)設(shè)計變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；對于區(qū)間變量，參數(shù)1和參數(shù)2分別代表區(qū)間變量的左界和右界。根據(jù)底座的可靠性設(shè)計要求，以底座的一階固有頻率為結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，要求一階固有頻率不小于[ω]＝160hz，定義功能函數(shù)g(x,u)為底座的一階固有頻率ω與[ω]之差，即g(x,u)＝ω(x,u)-[ω]＝ω(l1,l2,h)-[ω]，可靠度要求為0.99，建立基于概率-區(qū)間的底座可靠性設(shè)計模型如下：findxs.t.rmin[g(x,u)＝ω-[ω]＝ω(l1,l2,h)-[ω]]≥η＝0.99x＝(l1,l2,h),u＝(e,v).式中，x＝(l1,l2,h)為設(shè)計變量組成的概率向量，u＝(e,v)為不確定因素組成的區(qū)間向量，g(x,u)為一階固有頻率對應(yīng)的功能函數(shù)，rmin為在區(qū)間變量影響下功能函數(shù)對應(yīng)的可靠度的最小值，η為功能函數(shù)需要滿足的可靠度要求。2、底座動態(tài)性能指標(biāo)的多項式響應(yīng)面模型的構(gòu)建1)采用拉丁超立方采樣法(lhs)在由3維設(shè)計變量和2維不確定因素組成的向量空間內(nèi)獲取60個具有空間均布性的樣本點，其中50個用于擬合多項式響應(yīng)面模型，其余10個作為測試樣本點進(jìn)行精度檢驗。2)采用pro/e和ansys的協(xié)同仿真技術(shù)計算出60個樣本點所對應(yīng)的一階固有頻率的響應(yīng)值。3)通過設(shè)計變量l1、l2、h和不確定參數(shù)e、ν對一階固有頻率ω的靈敏度分析，可以得到各設(shè)計變量和不確定參數(shù)在多項式中的最高階，再根據(jù)設(shè)計變量和不確定參數(shù)對ω(x,u)有無交叉耦合影響剔除多項式中的多余子項，簡化后的ω(x,u)的多項式響應(yīng)面模型形式如下：ω(x,u)＝(β1·e·v+β2·e+β3·v+β4)·(β5·l1+β6·l2+β7·h+β8·l1·l2+β9·l1·h+β10·l2·h+β11·l1·l2·h+β12)4)采用最小二乘法計算出多項式中的所有系數(shù)βi，得到ω(x,u)的多項式響應(yīng)面模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后利用樣本點檢測多項式響應(yīng)面模型的擬合精度。若滿足精度要求，則采用該多項式響應(yīng)面模型；若不滿足，調(diào)整各多項式子項構(gòu)成并重新擬合直到滿足要求，進(jìn)而得到功能函數(shù)g(x,u)＝ω(x,u)-[ω]的多項式響應(yīng)面模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。3、基于概率-區(qū)間的底座動態(tài)特性可靠性設(shè)計模型的求解采用提出方法對基于概率-區(qū)間的底座動態(tài)特性可靠性設(shè)計模型進(jìn)行求解，遺傳算法的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置如下：最大進(jìn)化代數(shù)200，種群規(guī)模100，交叉概率0.95，變異概率0.01。經(jīng)過計算得到的優(yōu)化結(jié)果如下：設(shè)計向量(l1,l2,h)＝(756.2,232.3,1652.9)mm，彈性模量e＝1.54×105mpa，泊松比ν＝0.27，在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值rmin＝1.00。由優(yōu)化結(jié)果可知，底座的區(qū)間變量e和v的取值均在邊界處且在區(qū)間變量影響下可靠度的最小值rmin＝1.00，即底座在一階固有頻率可靠度最差時依然能夠滿足可靠性要求，驗證了提出方法的有效性。當(dāng)前第1頁12