随机动态结构系统的频率可靠性灵敏度与稳健设计研究

The reliability is one of the most important indexes for product performance, the reliability research on the random dynamic structural system has seldom been put forward as it is more complicated than the reliability problems on the random static structural system, so the further research is necessary. According to the common cases of the dependent failure modes and incomplete probability information of the random dynamic structural system, the frequency reliability method of avoiding resonance is proposed by the mechanical dynamics, stochastic finite element method, the reliability theory in the project. Furthermore, the frequency reliability sensitivity method is presented based on the frequency reliability research, which provides a preliminary efficient way to analyze how each random parameter contributes to the system reliability. And the frequency reliability-based robust method of the random dynamic structural system is obtained by the robust and the optimization technology on the basis of frequency reliability and sensitivity design, which help designers to establish acceptable parameter values and to determine the fluctuations of the parameters for the safe operations. Furthermore, the theoretical methods are applied to the engineering practice, which can provide the reasonable and necessary basis for the design, manufacturing, application and evaluation of the random dynamic structural system.

可靠性是衡量产品性能的一个重要指标，相比于静态随机结构系统，随机动态结构系统的失效问题分析具有相当难度，其可靠性研究也还处于初级阶段。本项目将机械动力学、随机有限元法、可靠性理论等相结合，针对工程实际中常见的随机动态结构系统失效模式相关以及随机参数概率信息缺失两种情况做较深入的研究，提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法；在频率可靠性研究的基础上，提出了随机动态结构系统的频率可靠性灵敏度分析方法，获取可靠度与随机变量分布参数波动间的量化关系，研究设计参数的改变对系统可靠性的影响；并在频率可靠性和灵敏度研究的基础上，综合运用稳健和优化设计方法，提出了随机动态结构系统的频率可靠性稳健设计方法，确保系统在经受各种不确定因素的干扰下，仍保持较高的可靠稳定性；同时将理论方法与工程实践相结合，为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供合理和必要的理论依据。

机械结构的可靠性问题是目前国内外在力学和机械工程领域内研究的热点和难点问题之一。截止2016年12月31日，项目已按计划完成了申请书中规定的任务。本项目将机械动力学理论、随机有限元法、可靠性设计理论、灵敏度分析手段、稳健设计方法和优化设计技术等相结合，提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法，并建立了相应的随机动态结构系统的频率可靠性、频率可靠性灵敏度以及频率可靠性稳健设计数学模型，并以此为基础，结合工程实际中常见的系统失效模式相关以及概率信息缺失两种情况，进行了频率可靠性相关研究，并建立了相应的频率可靠性数学模型。上述成果的获得，不仅可用于确定系统可靠度与基本随机变量波动间的量化关系，而且可以有针对性地改进设计方案，确保随机动态结构系统在制造和使用过程中质量的可靠稳健性，同时本项目的研究也紧密地与工程实际中随机动态结构系统的常见问题相结合，将为更加准确和更加可靠地解决工程实际问题打下坚实的理论与技术基础。基于上述成果，共发表论文13篇，其中SCI检索3篇，EI检索5篇。培养博士生1名。在项目执行期间，项目负责人申请到国家留学基金，并于2015年11月到2016年11月在威斯康星大学麦迪逊分校进行了访学，对项目中动力学理论在工程实际案例应用方面做了更深入的研究，为进一步的可靠性分析奠定了基础。