面向复杂产品制造公差的并行可靠性设计优化研究

The precondition of conducting reliability-based design optimization is accurately getting the uncertainties of the complex products. Manufacturing tolerance is an important way for getting the uncertainties of complex products. However, manufacturing tolerance and reliability-based design optimization are in the different stages of the product life cycle. Along with peoples growing requirements for the product quality, there is a processing need for concurrent reliability design optimization oriented to manufacturing tolerance of complex products, which can alleviate the contradiction of the reliability design optimization and manufacturing tolerance. This project focuses on the concurrent reliability-tolerance design optimization, and regards the manufacturing tolerance of complex products as the source of the uncertainties; First, it takes full consideration of the relationship between the manufacturing sources and the uncertainties, tries to find the inherent laws of the manufacturing tolerance; proposes the model construction method for concurrent reliability-tolerance design optimization; Second, it explores the accurate computational strategies, and proposes new methods to deal with the shifting vector optimization and multiple design point problems; Finally, it focuses on the high computational cost problem, proposes efficient sequential sampling method for surrogate models. The research of the project will provide the technical and theoretical support for the application of the concurrent reliability-tolerance design optimization.

可靠性设计优化的前提是准确获取复杂产品不确定性因素的详细参数。产品制造公差作为不确定性因素的重要来源，却与可靠性设计优化分别处于产品生命周期的不同阶段。随着人们对产品质量要求的不断提高，迫切需要一种面向复杂产品制造公差的并行可靠性设计优化理论，缓解产品制造公差和可靠性设计优化之间不同步的矛盾。本项目以复杂产品的并行可靠性-公差设计优化为研究对象，将产品制造公差作为可靠性设计优化不确定性因素的来源和依据；首先，通过研究复杂产品制造资源与不确定性因素之间的关系，探求制造公差的内在特征规律，构建并行可靠性-公差设计优化混合模型；其次，寻求解决偏移向量优化和多设计点问题的技术手段，提出并行可靠性-公差设计优化的精确求解策略；最后，针对工程实际中并行可靠性-公差设计优化的计算效率瓶颈问题，研究基于近似模型的高效序列抽样方法。本项目研究将深化并行可靠性-公差设计优化的理论研究和相关技术的实际推广应用。

复杂机械产品的可靠性设计处于产品的概念设计和详细设计阶段，制造公差的设计则处于产品详细设计之后的阶段；制造公差作为产品设计周期中重要的不确定因素之一，却与可靠性的设计过程相互独立，因此迫切需要一种面向复杂产品制造公差的并行可靠性设计优化理论，以缓解产品制造公差和可靠性设计优化之间不同步的矛盾。本项目研究公差与可靠性并行设计优化的关键问题，首先对公差与可靠性并行优化的发展趋势，如制造公差内在规律特征建模、可靠性-公差并行优化模型构建、并行模型求解计算、高效率近似模型拟合与抽样等内容进行了分析。然后以航天精密伺服机构为应用对象，利用统计技术研究了关键零部件在机械加工、装配过程中制造公差、误差、人为因素的内在规律，以此作为伺服机构公差与可靠性并行设计优化的依据；探讨了蒙特卡洛方法在公差与可靠性分析中的仿真过程，对截尾分布类型转换、分析与评价进行了深入研究；建立了公差与可靠性仿真分析在计算机中的实施框架，对于高精度、大规模计算存在的内存占用问题，提出了分段存取、调用和计算的方法；构建了公差与可靠性并行优化的概率可行域方法，提高了可靠性解耦过程中对于概率约束可行性判断的效率；对于公差与可靠性并行优化过程中的近似模型技术，先后提出了重要边界抽样方法、基于最大可能失效点的局部近似抽样法、基于变抽样区域半径的抽样方法、基于移动最优半径抽样策略和基于模型聚合的抽样方法等，极大地改进了公差与可靠性并行设计优化方法的效率和精度。最后，基于并行可靠性-公差设计优化理论体系，开发工具集合，同时，以航天精密伺服机构产品为应用对象，对并行可靠性-公差设计优化理论进行了测试验证。本项目研究将深化并行可靠性-公差设计优化的理论研究和相关技术的实际推广应用。