柔顺机构疲劳损伤退化状态识别与稳健可靠性优化设计

Compliant mechanisms is widely used in MEMS, aerospace, biomedical engineering fields. As a result of micro-nano scale effect, micro mechanism stability was difficult to control, the design parameters are difficult to determine, micro component reliability is difficult to predict the basic science problem. Topic using multi-body elastic dynamics method, explore the scale effect on steady characteristic influence mechanism; build the fusion matrix separation algorithm, steel, soft sound coupling block separation, using conflict analysis and the shortest path method of coupling matrix are sorted, completed the nonlinear decoupling; create material field - functional analysis method, to solve the robust design parameters and component reliability prediction; use uncertainty theory, exploration is based on interval analysis of non probabilistic static robust optimization model; according to the reliability theory, create a probabilistic and non-probabilistic hybrid dynamic robust reliability growth model and its design method; development model, verification and correction robust feedback compensation model. Research on design theory and method to eliminate or reduce the micro defect, reliability, robustness to achieve growth has the theory significance and the practical value.

柔顺机构广泛应用于微机电系统、航天、生物工程等尖端领域。由于微纳尺度效应的影响，柔顺机构存在疲劳损伤退化状态难以识别、可靠性难以稳定控制的基础科学问题。课题从分析表征柔顺机构疲劳损伤主要特征入手，采用部分可观测随机状态理论与多元贝叶斯方法，研究疲劳损伤的机理及退化过程的建模方法，构建疲劳损伤与其状态迁移的映射关系；建立融合矩阵分离算法，实现钢、柔稳健耦合块分离，采用冲突分析及最短路径法对耦合矩阵进行排序，完成非线性强耦合的解耦；创建物质-场-功能分析新方法，解决稳健设计参数确定与柔性单元容差预计；采用不确定性理论，探索基于区间分析的非概率静态稳健优化模型；根据可靠性理论，创建概率-非概率混合动态稳健可靠性增长模型及其设计方法；研制缩尺模型，实例验证并修正模型，建立柔顺机构稳健可靠性设计新途径。课题探索的设计理论与方法对柔顺机构疲劳过程机理及损伤准确预测、可靠性增长具有理论意义和实用价值。

柔顺机构广泛应用于微机电系统、航天、生物工程等尖端领域。由于微纳尺度效应的影响 ，柔顺机构存在疲劳损伤退化状态难以识别、可靠性难以稳定控制的基础科学问题。课题首先基于损伤识别理论，提出了一种基于特征参数分解模型的直圆柔性铰链损伤定量识别的方法，将有限元建模和特征参数分解相结合，实现了柔顺机构损伤位置和损伤程度的识别；其次，对深切口柔性铰链容易发生疲劳失效的薄弱部位进行研究，建立了柔性铰链的N-S寿命预测模型，有效地预测了柔性铰链的疲劳寿命；再次，通过将多变量质量损失函数与双响应曲面法相结合，并采用了熵权理论科学地设置各响应均值和标准差的权重，同时考虑可控因子容差扰动对最优点可行稳健性的影响，提出了一种考虑因子容差的稳健优化设计模型；接着，建立了深切口椭圆柔性铰链的柔度运动模型，基于该模型提出了一种基于灰色关联度的稳健设计新方法；通过对直梁圆角型柔性铰链设计变量的不确定性进行有效处理，提出了一种可靠性分析的模型；针对柔顺机构传统确定性优化设计未充分考虑设计变量的随机波动对柔度稳健可靠性的影响问题，提出了结合试验设计、响应曲面法、DFSS(Design for Six Sigma)理念的稳健优化设计新方法；最后，通过对柔性悬臂梁为载体的柔顺机构进行了柔度稳健优化设计，引入了6σ稳健设计方法，建立了稳定性优化模型。