面向复杂机械关键部件产品族的可适应性及非概率稳健可靠性设计方法研究

It has important influences on the follow-up design efficiency, product quality and cost that the adaptability and robust reliability of design for the machine key parts. To establish the product platform with robust reliability is the key to improving adaptable capacity of product family design. Adaptable design agrees well with robust reliability design in considering user's requirement and the product quality guarantee. The design method merging adaptable design and robust reliability design, and the research on the united modeling of the two designs, can provide product with robustness in flexibility design. The study includes: (1) Uncertainty analysis and quantitative methods; (2) Merged and evolved mechanism of adaptable design and robust reliability design; (3) Robust modeling which faces to adaptable product family; (4) Non-probabilistic robust reliability design for adaptable product platform; (5) Propose methods to estimate adaptability of the product family design, as well as its robust reliability measure. To combine with the present problems existing in the shield machine disc cutter design, prove the proposed methods of the adaptability and non-probabilistic robust reliability design, the study aims at a higher capability and level of independent research and development for the shield machine cutters in China, and provides the theoretic foundation and calculation model for adaptability and robust reliability design of the complex machine key parts' product families. The study achievement has both great scientific importance and adequate theoretical and applicable values.

机械关键部件设计的可适应性与稳健可靠性对后续设计效率、产品质量及成本影响重大。构建具有稳健可靠性的产品平台，是提高产品族设计可适应能力的关键。可适应设计和稳健可靠性设计在考虑用户需求及保证产品质量方面具有一致性。融合两者的设计方法，研究两者的统一建模，可使产品在柔性设计中获得稳健性。研究内容包括：(1)不确定性分析与量化方法研究；（2）可适应设计和稳健可靠性设计的融合与演化机制研究；（3）面向可适应性的产品族稳健建模研究；（4）面向可适应性产品平台的非概率稳健可靠性设计；（5）提出产品族设计的可适应性评估及其稳健可靠性度量方法。结合目前盾构机盘形滚刀设计中存在的问题，对提出的可适应性和非概率稳健可靠性设计方法加以验证，旨在提高我国盾构机刀具自主研发能力和水平，为复杂机械关键部件产品族的可适应性和稳健可靠性设计提供理论依据和计算模型。研究成果富有重要的科学意义，又有充分的理论和应用价值。

产品设计作为产品整个生产过程中的上游环节，对后续活动有着重要影响。产品族的可适应性和稳健可靠性设计是提升产品设计对用户需求的多样性和技术发展变迁的适应性，降低产品设计对设计因素变更敏感度的重要保障。可适应设计较多地考虑适应用户需求多样化、柔性化和个性化的能力，强调原有设计应对变化的能力；稳健可靠性设计旨在以较低成本保证产品质量特性对各种波动变化不敏感。为使产品在柔性设计中获得稳健性，需要融合可适应设计与稳健设计方法，建立一种面向复杂机械关键部件产品族设计的新方法，对设计过程中的不确定性参数进行分析和处理，实现产品设计的可适应性和稳健可靠性。项目主要分析了不确定性因素的分类与量化处理方法，深入研究了不确定性因素的区间非概率描述及运算规则；建立非概率稳健可靠性设计的模型与度量方法，提出了非概率可靠性指标的图解方法；设计了仿射运算改进算法以及自适应变异步长梯度投影算法，提升了稳健设计非概率可靠性算法的精度及全局寻优性能；建立多级载荷累积损伤下结构的时变可靠性预测模型，进行了时变稳健设计研究；探讨了稳健设计与产品族设计融合过程以及产品族稳健设计的理论框架，进行了面向可适应性的产品族的稳健可靠性设计；基于差异度可调节变量产品平台规划方法，研究了功能-结构与用户需求关系映射的产品平台的构建；基于相容决策支持，研究了产品平台参数的共享策略；基于Kano模型，研究了产品基本功能、期望功能及附加功能的实现；研究了产品平台稳健设计的动态更迭机理，实现了面向可适应性的产品平台的稳健可靠性设计；建立了产品平台设计的可适应性评价指标体系，基于改进TOPSIS法对产品平台设计的可适应性进行评估；分析了盾构机刀盘系统设计适应性的影响机理，依据匹配性原则对盾构机刀盘系统设计及其平台设计的适应性进行系统的评价。课题的研究将为机械产品及其平台设计提供有效的理论指导和方法支持，有望将新设计方法拓展到产品设计过程的各个阶段。