可靠性数值模拟方法及其应用的研究

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本文针对结构机构可靠性计算的数值模拟方法进行了深入地研究,其中包括随机失效概率计算的数值模拟法和随机模糊失效概率(广义失效概率)计算的数值模拟法。整个论文分为四部分,第一部分为综述,分析已有的各种可靠性分析方法的优缺点;第二部分为计算失效概率的各种数值模拟法;第三部分为计算广义失效概率的数值模拟法;第四部分为数值模拟法在弹性连杆机构随机失效概率及广义失效概率中的应用。各部分的研究内容如下所述: 第一部分为综述,包括可靠性中有关随机失效概率和随机模糊失效概率计算的资料。该部分主要总结前人所提出的各种可靠性计算方法,以及这些方法的实质、适用范围、优缺点。其中,随机失效概率计算方法主要包括结构构件可靠度的计算方法;结构系统可靠度的边界确定法;以及适用性最强的数值方法。而模糊可靠性理论诞生地更迟,目前尚处在迅猛发展时期,在工程应用方面尚显得不足。文中对随机模糊可靠性的研究现状做出概要性的总结。 第二部分为随机失效概率计算的数值模拟方法。数值模拟方法是可靠性分析中最为通用的方法,也是本文重点研究内容。随着现代计算机运行速度和容量的迅速提高,具有普遍适用性和较高精度的数值模拟方法在结构、机构失效概率的计算中得到了越来越多的研究者们的注意。本文研究直接蒙特卡洛法、重要抽样法、描述性抽样法、截断重要抽样法、以及描述性抽样法与其它方法的结合等。各种方法均采用单模式与多模式极限状态方程来验证,并分析计算结果比较误差大小。重要抽样法作为其中的一种抽样效率高、计算方差小且收敛性好的方法,近年来已获得较大的进展。描述性抽样法作为一种单纯的抽样方法能够节省抽样时间,它可以与任何其它数值模拟法相互结合而产生更好的效果。截断重要抽样法用截断重要抽样函数代替原来的抽样函数,并使得所有抽取的样本点全部落入失效域,从而提高收敛速度。 第三部分为随机模糊失效概率计算的数值模拟方法。首先讨论模糊可靠性以及与之相关的基本概念;其次,在此基础上结合经典可靠性理论,将元件和结构状态的模糊性引入,建立了随机模糊可靠性模型,也称为广义可靠性模型;最后,研究了单模式与多模式的广义失效概率(随机模糊失效概率)计算的多种数值模拟法,提出了应用本文第二部分所研究的数值模拟法与广义可靠性相结合的算法,并用工程实例子加以验证。 第四部分为所研究的两种情况的数值模拟法在弹性连杆机构可靠性分析中的应用。传统的连杆机构分析方法把机构的构件假定为刚性的,近几十年来,设计的机械产品运转速度趋于不断提高,对机械的工作精度要求更为严格。与此同时,为了减轻机械的重量,设计的构件截面减小,构件刚度降低。因此,某些机构构件的弹性力不能再像传统方法中那样被忽略不计。本文这部分首先应用已有的计算软件根据机构弹性动力学理论对弹性连杆机构进行分析,并采用不包括交叉项的二次多项式的响应面法构造连杆机构极限状态方程的插值函数;然后,应用前面所研究的可靠性分析方法进行弹性四连杆机构的可靠性分析与计算,以检验本文方法的工程应用价值。
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