基于NARX和Kriging的时变可靠性分析双层代理模型

针对具有动态输出性能的结构系统，传统的求解时变可靠性的代理模型方法在建模时只关注当前瞬间作用于系统的随机变量的作用，而忽视了时间累积效果，使得模型对于时变可靠性的预测效果并不理想。基于此，提出了一种基于带外生输入的非线性自回归(NARX)模型和Kriging模型的时变可靠性分析的双层代理模型方法。所提方法在内层利用NARX模型构建给定随机输入变量下输出响应随时间的变化模型，准确模拟系统的动态行为；在外层基于NARX所得极值构建系统极值与随机变量之间的Kriging模型，得到时变结构系统的可靠性。通过3个算例验证了所提方法在处理具有较强波动性输出系统的可靠性问题时的有效性和准确性。     

旋转对称结构零部件时变可靠性模型

分析了旋转对称结构零部件的失效特点以及对称单元数对零部件可靠性的影响,建立了能体现对称单元数的旋转对称结构零部件强度概率密度函数和累积分布函数.分别以随机载荷作用次数和时间为寿命度量指标,建立了随机载荷作用下能够全面体现载荷、强度、对称单元数、寿命指标等参数影响的旋转对称结构零部件时变可靠性模型与失效率计算模型.研究表明:在强度不退化的情况下,旋转对称结构零部件的可靠度也会随着寿命指标(载荷作用次数或时间)逐渐降低,失效率随寿命指标逐渐减小.对于具有相同对称单元的旋转对称结构零部件,随着对称单元数的增加,零部件可靠度会降低且失效率会增大.     

模糊-随机混合参数的机构运动可靠度计算方法

在目前机构产品的参数当中普遍存在着模糊变量和随机变量混合的情况,而现有的模糊-随机可靠度求解方法一般针对静态问题进行分析,不能有效描述具有混合不确定性的机构运动时变问题。基于机构运动误差分析,同时考虑失效判据和变量的模糊性,提出了基于改进包络函数的模糊-随机时变机构可靠性建模及计算方法。首先,将模糊判据转化为极限状态方程中的随机变量;其次,利用模糊论中的截集法处理模糊-随机混合变量,建立机构产品的模糊-随机时变可靠性模型;再次,利用改进的包络函数计算机构的运动时变可靠度;最后,结合四连杆机构的运动误差问题,验证了本文方法的可行性,结果表明该方法具有较高的计算精度。      

光滑时变约束转子动力特性分析

光滑时变约束是转静子碰摩所产生的一种力学效果,指静子与转子发生持续接触,静子对转子产生周期时变的约束作用,转子在该约束下的附加刚度曲线是一条光滑可导的函数。根据试验转子在光滑时变约束下的附加刚度曲线建立一种光滑时变约束模型,基于Hill行列式理论分析光滑时变约束转子的模态频率、稳定性及响应,为碰摩转子故障识别和稳定性分析提供一种分析途径。结果表明:光滑时变约束下转子具有频率耦合、多频、失稳特性。失稳转速区中,转子的幅值随时间逐渐增大,引起转子失稳的频率成分即为转子模态分析中特征值实部大于0的频率成分;非失稳转速区中,转子的频率成分主要为转速频率和波动频率构成的频率组合。      

考虑失效阈值随机性的退化-冲击竞争失效建模

针对大多竞争失效可靠性研究未考虑失效阈值随机性的情况，提出一种随机失效阈值影响下的竞争失效系统可靠性评价模型。分析冲击影响下退化过程中退化量及退化率的变化，并在此基础上考虑阈值随机性。讨论累积退化影响下的冲击过程，以系统所能承受的强度分布描述冲击失效阈值，并结合累积退化量的期望水平建立随时间变化的冲击失效阈值，从而明确描述了冲击失效阈值与退化过程之间的依赖关系，给出竞争失效过程的可靠性函数。以微电机系统为例进行对比及敏感性分析，验证了随机失效阈值的引入更能反映系统真实运行状态。     

基于广义退化的机械结构模糊时变可靠性分析

航天在轨机械产品样本量少的特点导致其相关参数和动态退化失效判据具有模糊性,而现有的模糊可靠性模型一般针对静态问题进行分析,并不能描述机械产品可靠性的时变、模糊问题。本文基于广义应力强度干涉模型,同时考虑变量和失效判据的模糊性,提出了模糊时变可靠性建模及分析方法。该方法首先将模糊判据转化为极限状态方程中的随机变量;然后利用模糊论中的截集法处理模糊随机变量,建立机械产品的模糊时变可靠性模型;之后基于PHI2方法（一种基于上穿方法的结构时变可靠性分析方法）提出了求解模糊时变可靠度的新方法（FPHI2）;最后结合数值算例和工程案例验证了该方法的可行性。      

推进剂贮箱区间干涉时变可靠性分析方法

在推进剂贮箱服役期内,由于材料强度退化及外界随机载荷等不确定因素的存在,其可靠性表现为时变特性。基于区间理论与应力-强度干涉理论,为推进剂贮箱时变可靠性分析提供了一种区间干涉时变可靠性分析方法。通过对椭球底圆柱贮箱应力进行分析,根据贮箱等效应力分布与强度幂指数退化模型,将应力与强度转换为时变区间变量的形式。结合应力-强度干涉理论,将任意时刻应力与强度区间转换为标准化区间,根据临界状态函数与标准化区间的位置关系,定义区间干涉时变可靠性指标。结合示例参数对推进剂贮箱时变可靠性进行了分析,并与服从正态分布的应力-强度干涉可靠性方法及区间可靠性方法分析结果进行了对比,验证了所提方法的有效性。      

高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计

以热防护系统厚度方向几何尺寸为设计变量,热防护结构质量为优化目标函数,以航天器主结构温度极值为约束条件建立了优化模型。采用外部调用NASTRAN进行非线性瞬态有限元热分析,应用复合形法作为优化工具进行全局寻优。针对该问题结构几何形状是变量的特点,采用文件接口的方法实现了设计变量与有限元模型的关联以及有限元分析结果与优化工具的数据交换。     

基于UGF-GO法的EWIS退化系统可靠性分析

针对飞机电气线路互联系统（EWIS）差异性大、随时间退化严重、可靠性建模困难等问题,将通用生成函数（UGF）和GO法融合,提出了基于UGF-GO法的EWIS退化可靠性分析方法。首先,考虑EWIS各连接部件使用性能及环境的差异性,利用含随机参数的Wiener退化过程模型建立部件可靠性仿真模型,采用马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）算法对模型中的未知参数进行估计,并与传统二步法参数估计值进行对比,得到较为精确的系统部件退化可靠性曲线。其次,在分析系统退化可靠性时,利用UGF-GO法对某飞机EWIS结构可靠性进行建模及计算。最后,以某飞机电气线路互联系统为例,结合部件退化可靠性计算结果,评估系统在不同给定阈值下可靠性水平。结果表明:UGF-GO法可有效解决系统退化状态的可靠性分析问题。      

基于非概率凸模型可靠性的结构优化设计

考虑到结构系统参数的不确定性,基于提出的非概率凸模型可靠性指标的新定义,研究了在非概率凸模型可靠性约束下,结构优化设计的数学模型和求解方法.该方法通过超椭球域界定不确定参量,将结构基本不确定变量安全域的超体积与其可行域的超椭球总体积之比作为结构非概率可靠性的度量.并赋值可靠度作为约束条件,利用乘子法和阻尼牛顿法对结构的优化问题进行迭代求解,算法稳定,迭代速度快.数值算例验证了所提出方法的正确性.     

基于AQSSE方法的基础隔震结构损伤识别

提出自适应二次误差平方和(AQSSE,Adaptive Quadratic Sum-Squares Error)方法对基础隔震结构进行在线损伤识别实验研究.建立基础隔震结构实验模型,进行振动实验.实验过程中采用一套刚度元件装置在线模拟结构损伤,测量模型加速度响应和位移响应,基于测得的加速度信号和AQSSE方法在线识别基础隔震结构的参数和位移,并追踪参数的变化,从而识别结构损伤.研究结果表明:在两种典型地震波激励下,通过不同时刻的刚度突变模拟结构损伤,AQSSE方法得到的结构参数值与有限元分析结果一致,且识别得到的位移曲线与实验测量的位移曲线吻合良好,验证了AQSSE方法在基础隔震结构参数识别与损伤追踪中的有效性和准确性.     

基于改进加权响应面的结构可靠度计算方法

在结构可靠度分析中,响应面法由于具有良好的适用性和可操作性,是目前广泛使用的基于代理模型的分析方法。针对响应面法的计算效率和精度难以平衡兼顾等难点问题,提出一种基于改进加权响应面的结构可靠度计算方法。首先,在迭代过程中,同时考虑样本点与验算点距离、极限状态函数值、联合概率密度函数值3个权重因子对样本点进行赋权,采用加权回归并重复利用已有样本点更新不含交叉项的二次多项式响应面函数。其次,在迭代收敛后,选取已有样本点中权重较大的样本点加权拟合含有交叉项的二次多项式响应面函数。最后,结合数值算例和工程案例,通过与传统抽样方法和其他响应面法进行对比,验证了改进加权响应面法的可行性。结果表明所提方法具有较高效率的同时也保证了精度。      

阵风响应问题的配点型区间分析方法

最新的先进飞行器设计进展已经认识到定义多种类型的不确定性的重要意义。现有的气动弹性理论面临的一个重要问题是如何处理阵风激励和结构中的不确定性参数。给出了弹性机翼构件受到阵风作用时的控制方程。考虑了阵风模型和机翼结构中存在的不确定性参数,将其用区间向量定量化并一元化处理,基于第一类Chebyshev正交多项式和区间配点方案,结合有限元计算方法,提出了一种阵风响应问题的配点型区间分析方法(CIAM),推导了配点型区间分析方法的数学表达式。该方法避免了计算响应函数对不确定性参数的灵敏度(偏导数),放宽了不确定性参数变化范围为小区间的要求。为解决含有不确定性参数的阵风响应问题提供了一种新的可行途径。通过与Taylor区间分析方法(TIAM)的比较,数值算例表明,该方法能够得到一个包含精确响应值的足够"紧"的阵风响应区间。显示了该方法的优越性,具有工程指导意义。      

新型扭簧电连接器的确信可靠性正向设计优化

新产品正向设计需综合考虑新结构工艺、多设计变量、复杂工作环境的影响,并合理量化不确定性影响,评估可靠性水平,从而在源头上确保高可靠性。基于确信可靠性理论,研究了基于性能裕量的确信可靠性正向设计优化方法。提出了面向新型扭簧电连接器研发的确信可靠性正向设计优化基本流程,包括设计变量初值优选、性能裕量建模、不确定性量化和确信可靠性分析与优化4部分。以某新型扭簧电连接器的正向设计为例,基于正交实验、响应面建模和模拟退火启发式优化等方法实现了多维离散-连续变量及其不确定性作用下的优化设计。      

高超声速飞行器热流密度/分层温度/碳化层研究

受试验设备能力限制,地面风洞无法完全模拟高超声速飞行器临近空间热环境。文章采用在飞行器表面开孔安装长时耐高温热流传感器直接测量热流密度的方法,国内首次获得Ma12以上高超声速飞行器表面热流密度时变数据和边界层转捩特征。实测热流值与理论预示值规律相同,两者偏差小于20%。针对树脂基材料导热微分方程中虽考虑了热解吸热项,但未考虑导热系数随温度变化情况,采用在树脂基材料导热微分方程中加入物性参数随温度变化项的方法,计算了飞行器热防护结构内部分层温度和碳化层厚度,并与实测结果进行了比较,不考虑树脂热解特性和材料物性参数随温度变化,理论值高于实测值,最大偏差275~320℃;考虑热解特性和物性参数随温度变化情况,计算值与实测值最大偏差小于70℃。     

基于EMD及PNN的航天器振动环境分析

针对航天器非平稳随机振动信号模态频率密集的特点,提出了基于经验模式分解EMD (Empirical Mode Decomposition)的多分量过程神经网络PNN(Process Neural Network)自回归模型.通过EMD对原始时间序列进行分解, 使之成为一组不同尺度的局部正交本征模函数IMF(Intrinsic Mode Functions),利用PNN对每个IMF分别进行时变参数分析并以此确定其时变自功率谱密度,对所有分量的时变自功率谱密度通过叠加进行重构, 以此得到原始信号的时变自功率谱密度.仿真结果和实例分析表明:和传统的时频分析法相比,该方法直接使用信号数据,避免了相关估计计算,减小了计算工作量;无交叉干扰项,提高了信号的时频分布特性,具有较高的时频分辨率;对各工况下航天器的振动信号能有效的进行分析,具有较强的信号特征提取能力.