多构件多失效模式结构一体化可靠性设计理论与方法

At present, It is incomplete that reliability design theory and methods in which both common cause failure relativity and coupling failure relativity among fail-ure modes in one component are considered. Theory and methods of efficient and accurate whole reliability optimization, in which failure relativi-ties aforementioned are considered, are still in blank, about mechanical system with more components in which each has more failure modes. The aims of the research are to resolve key science problems on dealing with failure relativity of reliability, computational efficiency and accuracy of whole reliability optimiza-tion, in complex mechanical system with more components in which each has more failure modes, including establishing multiple response surface method, which can resolve both coupling failure relativity among failure modes in com-ponents and common cause failure relativity, with high-accuracy, high efficiency and practical value in engineering, for analyzing reliability of mechanical system with more components in which each has more failure modes, and studying mul-tilevel decomposition-coordination optimization policy, based on multiple re-sponse surface method, to realize whole reliability optimization of mechanical system with more components in which each has more failure modes and fuzzy reliability optimization, for whole reliability optimization of mechanical system with more components in which each has more failure modes. The results will have very important academic significance to develop mecha-nism reliability design theory, and can have realistic application prospect in fields of structure design for aerospace and mechanism.

目前，考虑构件间共因失效相关性和同一构件不同失效模式间耦合失效相关性的复杂结构可靠性分析理论和方法还不完善；考虑上述失效相关性的高精度、高效率的整体结构可靠性优化设计理论和方法还处于空白。本项目研究目的是解决在多构件多失效模式复杂机械结构一体化可靠性设计中，可靠性分析失效相关性的处理、整体可靠性优化设计的计算效率及计算精度等方面的科学问题。主要包括：针对多构件多失效模式结构可靠性分析，建立既可以处理构件之间共因失效相关性，又可以处理构件内部各失效模式之间耦合失效相关性，而且具有工程实用价值的高精度、高效率多重响应面方法；针对多构件多失效模式结构整体可靠性优化设计，研究用基于多重响应面的多级分解协调优化策略，来实现多构件多失效模式结构整体可靠性优化设计和模糊可靠性优化设计。本项目研究成果对促进机械可靠性设计理论的发展具有重要学术意义，并在航空、航天、机械各工程领域的结构设计中有现实应用前景。

建立了多重极值响应面法，提出了基于多失效模式多重响应面法的机械系统可靠性分析方法，并应用于燃气涡轮发动机的涡轮盘-叶片组合结构系统为例进行了计算验证；建立了耦合失效多重极值响应面数学模型，并将其应用于涡轮叶盘结构在流-固耦合、流-热-固单向耦合、双向耦合工况下的可靠性分析和灵敏度分析，解决了结构多失效模式同时存在时的动态可靠性分析问题。.完成了高温合金GH4133B高温疲劳-蠕变破坏试验，通过不同温度、不同加载波形的多组试验，获得了大量实验数据，确定了该种材料的疲劳-蠕变损伤特性函数。.提出了可靠性分析的智多重响应面法，然后用智能多重响应面法和联动抽样技术进行了航空发动机叶盘可靠性分析仿真并得出其可靠度。.提出了智能多重响应面可靠性优化设计的新方法，并应用于航空发动机叶盘优化设计仿真，提高了计算精度和效率。.提出用分解协调优化策略实现结构整体可靠性优化设计的方法，利用子规划和主规划的方式合理安排优化模型，将多级优化模型和多重响应面模型有机的嵌套，然后以曲柄摇杆机构为例进行了可靠性优化设计，验证了分解协调优化方法的可行性。.分别提出了结构单一失效模式且与时间无关的的模糊响应面方法、与时间相关的模糊极值响应面方法以及与时间相关且有多种失效模式的模糊多重极值响应面方法，再对这些响应面模型采取联动抽样的方式进行可靠性分析。分别以航空涡轮发动机叶片以及大型真空调整平台为例进行了模糊可靠性分析和模糊可靠性优化设计仿真，验证了该方法的可行性和有效性，由于这样的可靠性分析模型同时考虑了变量的模糊性与随机性，因此具有较高的精度。.针对航空发动机叶盘结构工作条件的多场耦合等特性，在利用智能多重响应面方法完成多失效模式可靠性分析的基础上，进行可靠性优化设计。以多目标粒子群算法搜寻最优设计点集减小涡轮叶盘最大径向变形及应力输出响应，在满足机械结构可靠度的同时，降低了结构所受载荷的大小，提高了结构的安全性能。