基于稳健近似和适应性求解的复杂机械产品可靠性设计优化方法研究

Reliability-based design optimization of mechanical products is always an optimization process involving implicit performance functions and high-dimensional multiple failure modes. With the complication of product and the increase of uncertainty factors, a reliability-based design optimization method that both has computational efficiency and solving robustness is urgently needed to promote the system optimization performance. In this project, aiming at the design optimization of complex mechanical products with multiple parameters and failure modes, utilizing the theories of approximate modeling, model ensemble, dimension reduction, statistics analysis and sequence sampling, we try to build an architecture of reliability-based design optimization with universal adaptive ability to tackle the challenges confronted in RBDO, and systematically propose corresponding new theories, methodologies and strategies for solving some key problems produced under this environment. The research focus is put on the robust approximation strategy for high-dimensional complex black-box system, validity determination strategy for multiple parameters and failure modes, dimension reduction theory for reliability analysis and sequence optimization theory for reliability optimization. On basis of these methods, we will research the realization strategies of respective algorithms and establish corresponding algorithm sets, and finally build an integrated tool platform for reliability-based design optimization, promoting the theory development of reliability design optimization to a higher level.

机械产品的可靠性设计优化通常是一个涉及隐式功能函数和高维多失效模式的优化过程。随着产品的日趋复杂和不确定因素的增多，迫切需要一种兼顾计算经济性和求解稳健性的可靠性设计优化方法来促进优化性能的提升。本研究以具有多参量多失效模式的复杂机械产品作为研究对象，综合应用近似建模理论、模型聚合策略、维度分解理论、概率分析理论和序列采样策略等，尝试构建一种具有广泛适应性的可靠性设计优化体系来应对可靠性设计优化方法所面临的挑战，并系统地研究此环境下产生的一系列关键问题，有针对性地提出与之相适应的新理论、新方法、新策略。重点探讨高维复杂黑箱系统的稳健近似策略、多维多失效模式的定量化判定策略、可靠性分析模型的降维理论及可靠性优化的迭代寻优理论，并在此基础上构建相应的可靠性设计优化支撑算法集合，研究算法的实现方法，构建集成一体化的可靠性设计优化工具平台，促进可靠性设计优化向更高层次发展。

可靠性是衡量产品正常工作能力的重要概率度量，基于可靠性对产品进行精准设计已成为设计学科发展的必然需要。当前机械产品在功能上日趋复杂，对于关键零部件的服役要求越来越高，导致在可靠性设计优化过程中，往往面临隐式问题难近似，高维多失效模式问题的难处理以及优化迭代策略求解效率低下等问题。针对这些实际问题，本项目将研究重点集中于面向高维隐式问题的稳健近似方法研究、针对于高度非线性问题的可靠性分析及设计优化策略研究以及基于近似模型的全局优化方法研究三个方面，通过对通用聚合近似策略、近似误差分析方法、概率约束定量化方法、概率失效模式有效性定量化方法、基于维度分解的可靠度分析策略、当量偏移重要度抽样方法、自适应序列采样策略、基于近似模型的可靠性分析和优化耦合求解策略和数值仿真技术等关键理论和技术开展深入研究，实现了对于高维复杂问题的稳健近似建模、精确可靠性分析及高效的可靠性优化求解，本项目所提出的理论及方法已用于多个典型数值问题求解，并在武汉船用机械有限责任公司的新型DP3动力定位装置中的全回转推进器的设计上得到了工程验证，结果表明本项目所提出的方法对于实际问题具有很好的适用性和稳健性。本项目提出了一系列新理论、新方法和新体系，取得了多项研究成果，共发表论文27篇，其中SCI收录22篇，授权发明专利1项。本研究充分考虑了实际工程问题所面临多种难题，给出了对于复杂机械产品进行可靠性设计优化的全流程理论及方法，不仅深化了相关的理论研究，更使得可靠性设计优化方法具有更广泛的适应性和稳健性，为其在复杂机械产品中的应用提供理论和技术支撑，具有重要的工程价值和科学意义。