&&&&&&& 身份证号:06xxxx
&&&&&&& 摘要：机械制造业随着我国经济的迅速发展取得了良好的发展效果，也逐渐在各领域中占有重要地位。进而可靠执行分析在现代化发展中也越来越重要。在实际的设计工作中，将两者相结合，从而发挥其潜在的巨大作用。可靠性设计不同于优化设计，可靠性设计是以产品的可靠性为设计宗旨的，因此设计的结果并非其工作性能或参数的最佳点。
&&&&&&& 关键词：机械工程可靠性& 优化& 设计
&&&&&&& 引言
&&&&&&& 社会经济的迅速发展，科学技术猛进，人们对的要求也越来越高，使用的设备要求功能多样化，产品不但要有质量保证，而且还应该具有可靠性。可靠性产品的生产和设计也逐渐映入人们的眼帘，并在各行业中得到了广泛的应用和发展。
&&&&&&& 1.机械可靠性设计的概述
&&&&&&& 在产品质量中可靠性是其最为主要的指标以及最重要的技术指标，工程界对于这一点也是越来越重视。在产品的设计、研制、装配、调试等各个环节中可靠性都有着一定的关联性，所以说在概率统计理论的基础上要加大其的推广认识，这样对于原本传统的相关问题能够很好的解决点，同时将产品质量提升上去而且使得产品成本有所降低。经过多年的发展，可靠性技术的不断发展，使得机械可靠性以及设计方式出现了很好的种类，但是就具体的实质来说，大致的分为数学模型法以及物流原因方式两种。数学模型法就是通过某种实验数据所得概率统计为基础，逐渐的划分为两点，第一点为时间范畴中所涉及的量是可靠性质的，也是就是说因为依据某种规律在时间变动下，疲劳寿命以及耗损失都是在一定的范围之内的；第二种为，将某种偶然因素所发生结果所表现的可靠性，主要是因为不定期所出现的偶然因素所波动的，都是通过概率可靠性对于随机事件计算的，也会发展为两个方面：第一种是对模型法或者相关扩展方式，这样的方式主要是对于产品实效原因产生与产品上应力大于产品本身的强度，所以说应力概率是低于可靠度强度的，第二种为随即过程中或者是随机场不超出规定水准的概率。
&&&&&&& 2.可靠性技术在机械产品中的应用分析
&&&&&&& 2.1机械产品设计环节可靠性分析
&&&&&&& 机械产品设计是将整个产品作为整体进行设计，其设计过程主要分为两部分进行，首先是对整体进行系统的设计，然后将可靠性技术应用在各个环节设计中。
&&&&&&& 整体系统的设计分析主要是对产品的各个零件进行分析，然后总结出零件运用可靠性技术的设计指标。细致的化的分析研究是为了满足各个零件对可靠性技术设计的要求，在单个零件进行设计过程中尽可能按照国家的标准进行设计，有些零件的部件的比较重要，因而在设计过程中要采用不同设计方法。同时部件的使用程度不同，因此一些比较关键的部件必须要进行严格的试验检测，保证其可靠性设计的准确性。在满足以上条件的情况下，还进一步对人机设计进行合理的设计和可靠性分析，保证其操作方便、合理，满足人机操作的舒适性。
&&&&&&& 2.2产品制造过程中可靠性设计
&&&&&&& 产品质量保证的前提是制造环节的可靠性，可见可靠性设计在机械产品制造过程中的重要性。在产品制造过程中加工设备的保障固然重要，但是最为关键的是加工工艺和工艺流程的选择。工艺流程的选择与制造加工密切相关，就如一个系统，如果系统结构出现问题的情况下，那么整体的运行就会出现问题，造成生产效率降低，产品质量得不到保证。因此，产品制造过程中加工工艺的选择要根据各方面的因素，将可靠性设计应用在工艺加工每一个环节上，按照可靠性指标对加工工艺中的每一个细节进行指标整合分析，保证其可靠性设计具有合理性和准确性。
&&&&&&& 2.3产品使用和维修方面的可靠性设计
&&&&&&& 维修技术与产品的使用寿命有着直接的关系，也与售后服务密切相关。一个产品要赢得良好的口碑就必须在产品维修方面，采用科学的维修技术方法和依据。产品在使用过程中如果遇到故障时，能够进行及时处理或维修，对产品的使用周期有很好的帮助和提高。产品在设计过程中就应该考虑的产品的可维修性，保证在遇到问题的情况下能够对其进行合理的维修，同时也应该考虑到在发生故障时保证能及时发现，便于发现，产品在维修过程中使用的零件能够进行更换等，才能有效的确保产品的可维修性。产品维修过程中维修费用也是应该考虑主要问题，产品设计过程中能以最低费用进行维修，并且提高产品的使用水平和效率。其中在产品维修过程中使用的工具要求标准化，最主要的还是维修人员的技术和素质。建立在可靠性理论基础上的产品维修十分重要，但是在产品可靠性设计中更应该考虑到产品在运行过程中的故障发生。避免产品故障发生，保证产品质量尤为重要。
&&&&&&& 3.机械设计可靠性的发展方向
&&&&&&& 3.1可靠性灵敏度设计
&&&&&&& 可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。
&&&&&&& 3.2可靠性优化设计
&&&&&&& 可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。
&&&&&&& 3.3可靠性试验
&&&&&&& 现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。
&&&&&&& 4.结束语
&&&&&&& 综上，在进行机械设计时，设计人员在满足机械可靠性的前提下，实现产品最优化的目标。充分发挥可靠性设计和优化设计的巨大潜力，达到产品最佳点以及最可靠点。可靠性优化设计具有先进性和实用性的特点，在机械设计领域的应用也越来越广泛，在提升产品质量的同时还带来了巨大的经济效益，其发展的前景十分广阔。
参考文献：
[1] 付峰.机械可靠性设计的内涵与递进[J].科技风.2014（09）
[2] 于志.分析机械可靠性设计的内涵与递进[J].黑龙江科技信息.2015（16）
[3]张义民，刘巧伶.多随机参数结构可靠性分析的随机有限元法[J] 东北工学院学报，2012，13（增刊）：97.99
[4] 金雅娟，张义民，张艳林，等.任意分布参数的涡轮盘裂纹扩展寿命可靠性分析[J].工程设计学报，2009，
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本文为教育教学论文，笔者认为以强化工程实践能力?创新能力为核心,在机械优化设计课程改进教学模式?引入工程案例和加强实践环节等方面进行了改革探索与实践,提高了学生的学习兴趣,增强了学生的工程实践能力?
目前社会对高校毕业生的工程实践能力和创新能力提出了更高的要求,2010年以来教育部联合有关部门和行业协会,共同实施&卓越工程师教育培养计划&(以下简称&卓越计划&),旨在培养一大批创新能力强?适应社会发展需要的创新型高素质工程技术人才?机械优化设计课程是高校机械类研究生和高年级本科生的选修课,也是现代设计理论与方法课程的重要组成部分?为了适应&卓越计划&的实施要求,笔者在机械优化设计课程中改进课堂教学模式?实施案例教学和加强实践环节,以期拓宽机械优化设计课程的教学改革思路,提高学生的工程实践能力?
1现行机械优化课程存在的主要问题
(1)随着教学改革的不断深入,机械优化设计课时逐渐减少,而对于机械优化设计课程教学要求而言,不仅要培养学生熟练掌握基本理论知识,更要注重培养学生的实践应用能力和创新能力,传统的&满堂灌&以传授理论知识为主,难以适应高素质创新型人才的培养要求?
(2)学生主体作用发挥不充分?长期以来,由于机械优化设计课程理论性强?知识综合?内容抽象等实际问题的存在,一定程度上影响了学生的学习兴趣和教学质量?在教学中引入具有启发性?实践性的工程案例,有利于激发学生学习主动性,但笔者在教学中发现机械优化设计课程教材多侧重于优化方法的阐述,与机械工程实践紧密结合的优化设计案例缺乏或不完善,学生在学习中学以致用的实践训练少,参与度低,致使学生主观能动作用发挥不充分?
(3)机械优化设计是一门实践性很强的课程,主要包括建立数学模型和选择优化方法与程序设计等方面内容,必须通过上机实践操作来加深对基本理论和算法步骤的理解,培养独立编制计算机程序的能力和灵活运用优化方法解决工程设计问题的能力,但是在机械优化设计课程教学中实践环节设置薄弱,不利于学生知识面的拓宽和综合素质的提高?
2突破传统局限改进课堂教学模式
突破传统教学方法的&教学局限于教书,教书局限于课程,课程局限于课堂,课堂局限于讲授,讲授局限于教材&的5个局限,构建&教?学?做&一体的教学模式?在机械优化设计课堂教学过程中注重采用形象化教学?问题探究型教学?讨论式教学和案例教学等开放式?自主式的教学方法,激发其学习兴趣,充分调动学生在学习过程中的积极性和主动性?比如采用形象化的&盲人探路&和&围墙土堆法&解释一维搜索方法中的进退法与惩罚函数法优化原理;在讲授数学基础?基本概念?基本优化方法及常用函数之后,增加数值计算软件Matlab语言基础知识及其优化工具箱的应用,讲解fminbnd函数?fminunc函数?fmincon函数以及linprog函数,向学生演示用Matlab的优化工具箱求解一维优化问题?无约束多维优化问题?有约束多维优化问题及线性规划问题的求解过程,将抽象的理论借助现代工程计算软件直观地呈现出来;设置与授课学生专业发展相对应的工程应用背景的例题?习题,引入合适的案例,与学生探讨案例的数学模型及特点,并结合案例教学内容安排学生集中上机实践,引导学生在问题研究的教学环境和教学氛围中主动学习?主动思考和主动实践;学生在讨论?理解的基础上选择合适的优化函数,编写目标函数及约束条件,调用Matlab的优化工具箱函数,编制Matlab程序进行求解;引导学生掌握常用的优化方法原理?Matlab基础知识和Matlab优化工具箱常用的优化函数并将其应用到案例探究中去,将课本知识与实践的有机结合,使其更好地领会机械优化设计解决问题的思路;结合其他优化设计软件(如ANSYS优化设计模块等)探讨教师亲身经历的科研课题及科研所涉及的学科前沿问题等,激发学生的学习热情和创造精神,提高学生分析问题?解决问题的能力,从而达到&卓越计划&关于学生积累知识?培养能力和提高素质的教学目标?
3甄选合适案例积极实施案例教学
案例教学具有明确的目的性?客观真实性?较强的综合性?深刻的启发性?突出的实践性和学生主体性等特点,授课教师在课堂教学中适当地引入案例教学可以更形象?高效地完成授课目标?案例是为教学服务的,笔者结合我校机械专业实际及教学实践,在机械优化设计课程教学案例甄选中选择了贴近实际并且能激发学生学习兴趣的典型案例?目前主要甄选的教学案例有如下六方面?
(1)纯数学问题的多种优化方法求解,通过对比各种优化方法的优劣?适用范围,使用方法等,使学生对刚接触的机械优化设计课程有个初步的认识?
(2)一般工程问题的求解,如生产计划问题?运输问题?下料问题等,这类问题的数学模型比较简单,主要讲述求解方法的选择,以及不同方法所得结果的对比与分析?
(3)机构运动学或动力学参数优化设计问题,如:曲柄摇杆机构?曲柄导杆机构?凸轮机构及行星传动机构的优化设计?
(4)机械零部件优化设计问题,如:滚动轴承摩擦阻力矩最小?气门弹簧质量最轻?压力容器螺栓组最经济?齿轮减速箱齿轮质量最轻及空心传动轴质量最小等优化问题?
(5)机械系统动态性能优化设计,如齿轮动态性能优化设计?机床床身和主轴系统动态优化?汽车车架或悬架系统动态优化和起重机结构系统动态优化等?
(6)专业特色案例,笔者把具有石油机械工程应用背景的实例有机地融入教学?例如,抽油机运动学优化设计及动力学优化设计?抽油机变速箱结构优化设计?泥浆泵曲柄滑块机构优化设计等石油机械工程中的工程实际问题?这些优化问题是学生感兴趣的工程问题,其数学模型都是以学生学过的机械原理?机械设计?力学等课程为基础,既便于理解与掌握,又可以更好地做到学以致用?
另外,在案例教学实施过程中要注重案例的剖析与拓展,教师要适时引导?调控课堂气氛,激发学生的参与热情,积极投入到案例讨论中去;要引导学生分析?理解?研究案例;要鼓励学生提出个人见解,深化问题,就问题做出判断和决策,促进学生完成学?思?知?行这四方面的结合,从实践到理论再到实践,学思联系,知行统一?教师通过回顾分析讨论过程?罗列主要观点?提示思维盲区?发掘问题深度等方法适时地对教学案例进行总结评述可以使学生对案例教学中的知识由感性的?零散的分析上升到理性的?系统的认识;引导学生对一些未能彻底解决的问题继续思考,促使学生对相关问题保持长期的关注?
4培养动手能力强化实践教学环节
机械优化设计课程随着教学改革的不断深入教学课时逐渐减少,如何在总学时缩减的情况下,更好地培养学生应用优化设计方法解决实际问题的能力,成为不可回避的问题?我校机械专业经过多年的改革与探索,逐渐确定了在总学时有所缩减的情况下,将本课程的理论学时缩短,注重学生动手能力培养,强化实践教学环节,设置理论学时16个,上机实践学时14个?
理论教学内容主要包括:优化设计的基本概念及数学基础?具体的优化设计方法(一维搜索方法?无约束优化方法?线性规划?约束优化方法)?适当介绍多目标及离散变量优化方法和先进优化方法(遗传算法?人工神经网络算法?蚁群优化算法)等?
上机实践环节结合机械优化设计教学案例及上机操作,以计算机为工具,以当前通用的优化设计软件为平台,把优化设计基本理论与方法应用于解决机械优化设计工程问题?笔者在实践教学环节精心安排上机实践内容,提前编好相应的实验指导书,并提供部分关键源代码,由简单到复杂,深度及难度循序渐进;帮助学生加深对所学内容的理解,在实践中学生学会将工程问题转化为最优化设计问题,分析机械优化设计的基本方法并合理建立数学模型,能编写调试简单的优化程序,较好地完成实验内容?在程序调试中,笔者也适当地布置相关思考题,要求学生认真观察不同优化算法及不同初始参数(如初始点的选取?搜索步长的选择等)引起计算结果的不同,提醒学生分析优化结果差异性的原因及优化结果的合理性,并将实验结果与体会写到实验报告中,从而培养学生分析问题?解决实际问题的能力?
以强化工程实践能力?创新能力为核心,结合我校机械专业&卓越计划&实施要求,在机械优化设计课程中改进课堂教学模式,积极实施案例教学,强化实践教学环节等方面进行了探索与实践?这些措施的实施,切实提高了学生的学习兴趣和工程实践能力,培养了学生动手能力和创新能力?在此基础上,我们将继续总结所取得的经验,完善教学改革成果,致力于培养适应现代社会发展的机械工程专业卓越工程师?
总之,为了适应&卓越计划&全面提高学生知识?能力和素质的实施要求,强化学生工程实践能力和创新能力,对机械优化设计课程改进教学模式?引入工程案例和加强实践环节等方面进行改革显得尤为重要?
参考文献(略)(责任编辑：gufeng)
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中国矿业大学2008届本科生毕业设计第1页英文原文OptimizethereliabilityofmechanicalstructuredesignItisnowgenerallyrecognizedthatstructuralandmechanicalproblemsarenondeterministicand,consequently,engineeringoptimumdesignmustcopewithuncertainties，Reliabilitytechnologyprovidestoolsforformalassessmentandanalysisofsuchuncertainties，Thus,thecombinationofreliabilitybaseddesignproceduresandoptimizationpromisestoprovideapracticaloptimumdesignsolution,i，e，,adesignhavinganoptimumbalancebetweencostandrisk，However,reliabiltybasedstructuraloptimizationprogramshavenotenjoyedthenamepopularityastheirdeterministiccounterparts，Somereasonsforthisaresuggested，First,reliabilityanalysiscanbecomplicatedevenforsimplesystems，Therearevariousmethodsforhandlingtheuncertaintyinsimilarsituationse，g，,firstordersecondmomentmethods,fulldistributionmethods，Lackingasinglemethod,individualsarelikelytoadoptseparatestrategiesforhandlingtheuncertaintyintheirparticularproblems，Thissuggeststhepossibilityofdifferentreliabilitypredictionsinsimilarstructuraldesignsituations，Then,therearedivergingopinionsonmanybasicissues,fromtheverydefinitionofreliabilitybasedoptimization,includingthedefinitionoftheoptimumsolution,theobjectivefunctionandtheconstraints,toitsapplicationinstructuraldesignpractice，Thereisaneedtoformallyconsidertheseitessinthemergerofpresentstructuraloptimizationresearchwithreliabilitybaseddesignphilosophy。Ingeneral,anoptimizationproblemcanbestatedasfollows,MinimizesubjecttotheconstraintswhereXisandimensionalvectorcalledthedesignvector，fXiscalled中国矿业大学2008届本科生毕业设计第2页theobjectivefunctionand,kXand}iXare,respectively,theinequalityandequalityconstraints，Thenumberofvariablesnandthenumberofconstraints，Lneednotberelatedinanyway，Thus,Lcouldbelessthan,equaltoorgreaterthanninagivenmathematicalprogrammingproblem，Insomeproblems,thevalueofLmightbezerowhichmeanstherearenoconstraintsontheproblem，Suchtypeofproblemsarecalledunconstrainedoptimizationproblems，ThoseproblemsforwhichLisnotequaltozeroareknownasconstrainedoptimizationproblems。Traditionallythedesignerassumestheloadingonanelementandthestrengthofthatelementtobeasinglevaluedcharacteristicordesignvalue，Perhapsitisequaltosomemaximumorminimumanticipatedornominalvalue，Safetyisassuredbyintroducingafactorofsafety,greaterthanone,usuallyappliedasareductionfactortostrength。Probabilisticdesignisproposeasanalternativetotheconventionalapproachwiththepromiseofproducingbetterengineeredsystems，eachfactorinthedesignprocesscanbedefinedandtreatedasarandomvariable，Usingmethodologyfromprobabilistictheory,thedesignerdefinestheappropriatelimitstateandcomputestheprobabilityoffailureP}oftheelement，Thebasicdesignrequirementisthat，wherepfisthemaximumallowableprobabilityoffailure。AdvantagesofadoptingtheprobabilisticdesignapproacharewelldocumentedWu,1984，Basicallytheargumentsforprobabilisticdesigncenteraroundthefactthat,relativetotheconventionalapproach,ariskisamoremeaningfulindexofstructuralperformance,andbareliabilityapproachtodesignofasystomcantendtoproduceanoptimumdesignbyensuringauniformriskinallcomponents。Optimization,whichmaybeconsideredacomponentofoperationsresearch,istheprocessofobtainingthebestresultbyfindingconditionsthatproducethemaximumorminimumvalueofafunction，Table1，1illustratesareaofoperationsresearch。Mathematicalprogrammingtechniques,alsoknownasoptimizationmethods,areusefulinfindingtheminimumormaximumofafunctionofseveralvariablesunderaprescribedsetofconstraints，Rao1979presentedadefinitionanddescriptionofsomeofthevariousmethodsofmathematicalprogramming，Stochasticprocesstechniquescanbeusedtoanalyzeproblemswhichare中国矿业大学2008届本科生毕业设计第3页describedbyasetofrandomvariables，Statisticalmethodsenableonetoanalyzetheexperimentaldataandbuildempiricalmodelstoobtainthemostaccuraterepresentationsofphysicalbehavior。OriginsofoptimizationtheorycanbetracedtothedaysofNewton,LagrangeandCauchyinthe1800x，TheapplicationofdifferentialcalculustooptimizationwaspossiblebecauseofthecontributionsofNewtonandLeibnitz，ThefoundationsofcalculusofvariationswerelaidbyBernoulli,Euler,LagrangeandWeirstrass，Themethodofoptimizationforconstrainedproblems,whichinvolvestheadditionofunknownmultipliersbecameknownbythenameitsinventor,Lagrange，Cauchypresentedthefirstapplicationofthesteepestdescentmethodtosolveminimizationproblems。Inspiteoftheseearlycontributions,verylittleprogresswasmadeuntilthemiddleofthetwentiethGentry,whenhighspeeddigitalcomputersmadetheimplementationofoptimizationprocedurespossibleandstimulate,dfurtherresearchonnewmethods，Spectacularadvancesfollowed,producingam}sssiveliteratureonoptimizationtechniques，Thisadvancementalsoresultedintheemergenceofseveralwelldefinednewareasinoptimizationtheory。ItisinterestingtonotethatmajordevelopmentsintheareaofnumericalmethodsofunconstrainedoptimizationhavebeenmadeintheTTnitedKingdomonlyinthe1960x，ThedevelopmentofthesimplexmethodbyDantzig1947forlinearprogrammingandtheannunciationoftheprincipleofoptimalitybyBellman195fordynamicprogrammingproblemspavedthewa，f}developmentofthemethodsofconstrainedoptimization，TheworkbyKuhnandTucker1951onnecessaryandxuflicientconditionsfortheoptimalxolutionofprogrammingproblemslaidfoundationsforlaterresearchinnonlinearprogramming,theoptimizationareaofthisthesis。Althoughnosingletechniquehasbeenfoundtobeuniversallyapplicablefornonlinearprogramming,theworksbyCacrol1961andFiaccoandMcCormic1968suggestedpracticalsolutionsbyemployingwellknowntechniquesofunconxtrainedoptimization，GeometricprogrammingwasdevelopedbyDufhn,ZenerandPeterson1960，Gomory1963pioneeredworkinintegerprogramming,whichisatthistimeanexcitingandrapidlydevelopingareaofoptimizationresearch，Manyrealworldapplicationscanbecastinthiscategoryofproblem，Dantzig1955andCharnelandCooper1959developed中国矿业大学2008届本科生毕业设计第4页stochasticprogrammingtechniquesandsolvedproblemsbyassumingdesignparameterstobeindependentandnormallydistributed。Techniquesofnonlinearprogramming,employedinthisstudy,canbecategorized1，onedimensionalminimizationmethod2，unconstrainedmultivariableminimizationA，gradientbasedmethodB，nongradientbasedmethod3，constrainedmultivariableminimizationA，gradientbasedmethodB，gradientbasedmethodThegradientbasedmethodsrequirefunctionandderivativeevaluationswhilethenongradientbasedmethodsrequirefunctionevaluationsonly，Ingeneral,onewouldexpectthegradientmethodstobemoreeffectire,duetotheaddedinformationprovided，However,ifanalyticalderivativesareavailable,thequestionofwhetherasearchtechniqueshouldbeusedatallispresented，Ifnumericalderivativeapproximationsareutilized,theefficiencyofthegradientbasedmethodsshouldbeapproximatelythesameasthatofnongradientbasedmethods，Gradientbasedmethodsincorporatingnumericalderivativeswouldbeexpectedtopresentsomenumericalproblemsinthevicinityoftheoptimum,i，e，,approximationstoslopeswouldbecomesmall，Fig，1，1showstheowchartofgeneraliterativeschemeofoptimizationRao,1979，Noclaimismadethatsomemethodsarebetterthananyothers，Amethodworkswellononeproblemmayperformverypoorlyonanotherproblemofthesamegeneraltype，OnlyaftermuchexperienceusingallthemethodscanonejudgewhichmethodwouldbebetterforaparticularproblemKuestersndMize,1973.Firstattemptstoapplyprobabilisticandstatisticalconceptsinstructuralanalysisdatebacktothebeginningofthiscentury，However,thesubjectaidnotreceivemuchattentionuntilaftertheWorldWarII，InOctober1945,ahistoricpaperwrittenbyA，M，FreudenthalentitledTheSafetyofStructuresappearedintheproceedingsoftheAmericanSocietyofCivilEngineers，ThepublicationofthispapermarkedthegenesisofstructuralreliabilityintheU，S，A，，中国矿业大学2008届本科生毕业设计第5页ProfessorFeudenthalcontinuedformanyyearstobeintheforefrontofstructuralreliabilityandriskanalysis，Duringthe1960stherewasrapidgrowthofacademicinterestinstructotalreliabilitytheory，ClassicaltheorybecamewelldevelopedandwidelyknownthroughafewinfluentialpublicationssuchasthatofFreudenthal,Garrelts,andShinouzuka1966,Pugsley1966,KececiogluandCormier1964,FerryBorgesandCastenheta1971,andHaugen1968，However,professionalacceptancewaslowforseveralreasons，Probabilisticdesignseemedcumbersome,thetheory,particularlysystemanalysis,seemedmathematicallyintractible，Littledatawereavailable,andmodelingerrorwasanissuewhichneededtobeaddressed，Buttherewereearlyeffortstocircumventtheselimitations，Turkstral070Yr}}ntedstructuraldesignasaproblemofdecisionmakingunderuncertaintyandrisk，Lind,Turkstra,andWright1965definedtheproblemofrationaldesignofacodeasfindingasetofbestvaluesoftheloadandresistancefactors，Cornell1967suggestedtheuseofasecondmomentformat,andsubsequentlyitwasdemonstratedthatCornellssafetyindexrequirementcouldbeusedtoderiveasetofsafetyfactorsonloadsandresistances，ThisapproachrelatedreliabilityanalysistopracticallyacceptedmethodsofdesignTheCornellapproachhasbeenrefinedandemployedinmanystructuralstandards，Difficultieswiththesecondmomentformatwereuncovered1969whenDitlevsenandLindindependentlydiscoveredtheproblemofinvariance，Cornellsindexwasnotconstantwhencertainsimpleproblemswerereformulatedinamechanicallyequivalentway，ButthelackofinvariancedilemmawasovercomewhenHasoferandLind1974definedageneralizedsafetyindexwhichwasinvarianttomechanicalformulation，Thislandmarkpaperrepresentedaturningpointinstructuralreliabilitytheory，MoresophisticatedextensionsoftheHasoferLindapproachproposedinrecentyearsbyRackwitzandFiessler1978,ChenandLind1982,andWu1984provideaccurateprobabilityoffailureestimatesforcomplicatedlimitstatefunctions，Therearemanymodesoffailureinstructuralsystems,dependingontheconfigurationofthesystem,shapesandmaterialsofthemembers,theloadingconditions,etc，Lzordertoperformasystemreliabilityassessmentthefailuremodesmustbedefined，However,foralargesystemwithahighdegreeof中国矿业大学2008届本科生毕业设计第6页redundancyitisdifficultinpracticetodetermineaprioriwhichfailuremodesareprobabilisticallysignificant，Thefollowingmethodshavebeenproposedtoproduceapproximatesolutionsaautomaticgenerationofsafetymargins,bthepunzippingmethod,andcbranchandboundmethodThoftChristensenandMurotsu,1986，ThestateoftheartinsysiemsstructuralreliabilityanalysisiscomprehendedintheworksviBennett1983,AngandTang1984,Guenard1984,Ditlevsen1986,Madsen,Krenk,andLind1986,andThoftChristensenandMurotsu1986，Butatthistimetherenogeneralmehonforobtainingpracticalsolutionstothesystemreliabilityproblem。中国矿业大学2008届本科生毕业设计第7页中文翻译机械结构的可靠性优化设计实际情况表明，所有的机械结构都具有很大的不确定性，因而使得机械工程学上的优化设计也具有不确定性，在不同的条件下所得到的优化结果是不一样的。可靠性设计就为这种不确定性问题提供了一个很好的比较正式的评价和分析工具。因此，这种结合了可靠性设计过程的优化设计方法就有很大实用性，也就是说，这种优化结果同时考虑到了机构的最优和最安全可靠两个设计要求。然而，基于可靠性的优化设计方法并没有得到广泛地应用。造成这种情况的原因有很多方面。首先，即使对于简单的系统，进行可靠性分析工作则是非常复杂的，对于比较相似的情况（例如采用完全分布法和主要分布法）有很多不同的方法用来处理这种不确定性。缺乏一种简单的、独立的可以相互适用的方法用来处理各种不同问题的不确定性。这就使得对于不同的但非常相似的机构设计具有不同的可靠性设计结果。还有，在关于可靠性概念的许多基本问题上面，还存在这一些分歧，这些分歧包括了关于可靠性优化的基本定义、优化结果、目标函数和约束条件已经它在结构设计中的实际应用等多个方面。总之，有必要对可靠性结构优化设计体系进行一个系统的正式的研究。一般的，一个结构优化问题可以归结为如下的数学模型对目标函数的最小化fX（1－1）约束条件0kX??（k?1，2，,,，K）（1－2）0lX??（1lK??，2K?，,,，L）（1－3）其中，X是一个n维的设计变量，fX是目标函数，而kX?和lX?分别是不等式约束条件和等式约束条件。变量n的个数和约束条件L的个数与具体的应用情况有关系，不是确定不变的。因此，在一个给定的数学模型中，约束条件L的个数可能大于、等于或者小于设计变量n的个数。在一些实际中国矿业大学2008届本科生毕业设计第8页问题中，约束条件L的个数为零，则表示这些问题没有约束条件，并称该类问题为无约束优化问题。而另外的一些约束条件不为零的问题则称为约束优化问题。在常规的设计中，认为外载荷是作用在零件上的固定单元上面，并且认为该单元的强度是一个单一的固定值或设计值。这个强度值可能是该类材料的预期或许用值的最大（最小）值。并且用安全系数来衡量零件的安全性，安全系数一般要大于一个推荐值。采用概率设计可以在传统的设计方法的基础上得到相对最好的设计结果，概率设计也就是这样的一种方法。在概率设计中，设计过程中的每个因素都需要定义并被当作随机变量处理。利用概率论的基本方法原理，定义一个合适的限制条件并计算此条件下单元的失效概率fP。并且要求ffPP?，其中，fP是最大的许用失效概率。采用概率设计方法有许多的优点，并且在很多的书本里面都有相关的介绍和描述（Wu，1984）。而关于概率设计方法和传统设计方法的基本争论主要有以下两点a）零件结构性能方面产生危险破坏的可能原因有很多方面。b）如果先确定一个合适的会产生危险破坏的标准，那么对一个系统的概率设计过程往往就是一个优化设计过程。优化可以被认为是一个工业研究的组成部分，主要通过利用目标函数在一定条件下的最大值或最小值条件来寻找一组最优的结果。表1，1介绍的就是工业研究的一般领域。数学处理方法，也就是所谓的优化数学模型，常用来计算一个有有限个随机变量的目标函数的在一定的约束条件下的最大（或最小）值。Rao（1979）提出了优化的定义并且记载了一些可用来计算优化数学模型的数学方法。随机过程方法就可以分析一些带有随机变量的问题。统计学方法则可以用来分析一些实验数据并建立经验模型以对物理行为进行最准确的描述。至于最早的优化方法可以追溯到17世纪时的牛顿，拉格朗日和柯西时期。由于牛顿和莱布尼茨创造了微分学，并得到了广泛的应用，使得优化过程成为可能。柏努利，欧拉，拉格朗日和魏尔斯特拉斯建立了变动的微积分学。约束优化问题的处理方法即设计到了对设计变量的增加方法也就是所谓的拉格朗日方法，这时用该种方法的创造者命名的。柯西则利用最速上升法来解决最小化问题。中国矿业大学2008届本科生毕业设计第9页如果不考虑这些早期的数学家对优化过程的所做的成果，那么直到二十世纪中期对于该类问题的处理方法都没有取得明显的发展和进步。此时，高速计算机已经发明并且被用来执行优化处理过程，由此引发了对于新的优化方法近一步研究和应用。随后取得了巨大的进步，在优化方法领域产生了大量的文献著作。这种显著的进步时通过对优化理论的几个定义明确的新领域的合并所得到的。需要注意的是在二十世纪六十年代的英国已经在无约束优化领域方面取得了巨大的研究成果。丹奇克（1947）发明了单纯形法用来进行计算线性规划问题，而可以用来处理动态问题过程贝尔曼最优原则（1957）有力的促进了约束优化方法的发展。在库恩（1951）的关于在必要和充分的条件下优化问题的规划求解的论文则为非线性问题的近一步研究奠定了基础。尽管对于非线性问题，至今并没有发现一种单一的通用性的方法，但是，卡罗（1961）、费耶科和麦考密克（1968）的著作中称应用一些比较好的方法就可以得到无约束优化问题的实际解。达芬，奇纳和彼得森（1960）发明了几何规划法。戈莫里（1963）创立了整数规划法，并在当时的优化研究领域得到了巨大的发展。在实际工程应用中的很多方面都属于这个范畴。丹奇克（1955）和查纳斯和库珀（1959）发明了随机规划方法可以用来解决设计参数是相互独立和无关的线性分布问题。在本文中所用的非线性处理方法，可以归结为如下几个方面1一维最小化方法。2无约束多变量最小化方法。A梯度法。B非梯度法。3约束多变量最小化方法A梯度法。B非梯度法。梯度法需要用的目标函数的值和其微分值，而非梯度法则只需要用的目标函数的值，对目标函数是否具有微分值没有要求。一般的来说，用的函数梯度的方法效率更高，这是因为相当于增加了已知条件。然而，如果函数解析的微分解是存在并可用的，那么就可以用到目前正在使用的一维搜寻法。如果用的的是函数的引出的数值近似方法，那么梯度法和非梯度法的效率基中国矿业大学2008届本科生毕业设计第10页本相当。梯度法里面可以包括了一些数值近似法，可以用来解决一些优化问题，其结果都是近似的，误差非常小。图1，1表示的就是一般的优化流程图。目前，没有相关研究成果表明那些方法会比另外一些方法更有效率，更好。一个可以很好地解决一个问题的方法可能就不能应用于同类型的另外一个问题，即每种方法都有其适用范围和使用特点。只有对常用的方法都熟悉并有使用经验以后才能针对实际问题选择一种较好的更有效率的方法（库斯特和麦兹1973）。在二十时间初期，就有人研究在机械结构设计分析种应用概率和统计方法，这也是概率设计的最早应用。但是，这种方法并没有受到极大的关注和认可。一直到二战后，1945年10月，由弗赖登塔尔撰写的著名论文结构的安全发表在美国土木工程安全期刊上。此文的发表标志着美国结构安全设计的起始。弗赖登塔尔教授已经对结构可靠形分析和危险分析的前沿问题进行了很多年的研究，并取得了相当的成果。在二十时间六十年代可靠理论研究得到了迅速的发展，由很多学术成果。特别是Freudenthal,Garrelts,andShinouzuka1966,Pugsley1966,Kececiogluandcormier1964,FerryBorgesandCastenheta1971,andHaugen1968等人发表了一系列的相关研究成果后，经典可靠性理论开始被人熟知并得到巨大发展。然后，在实际应用上面，由于可靠性设计实现起来比较麻烦、对系统的分析理论要用到很复杂的数学理论、可以用的的数据量较少以及数学模型错误引起的争论等诸多原因，使得可靠性设计的实际应用非常少，发展比较慢。在当时的诸多限制条件下，可靠性设计也取得了一些早期的研究成果。特克斯特拉（1970）指出了结构设计作为一个决定性的问题应低于一定的不确定性和危险性。兰德，特克斯特拉和赖特（1965）详细说明了在寻找出的一系列最佳的载荷和阻力条件下一种故障模式的合理设计问题。科内尔（1967）则建议使用一种二阶格式，并随后在在科内尔安全系数要求种得到了证明，该法可以推理出在载荷和阻力下的一些安全因素。这些关于可靠性分析的方法都具有一定的实际应用性。特别是科内尔法在许多的结构设计标准中得到了应用。这在结构可靠性理论发展上具有里程碑的意义。在随后的几年中，Rackwitz和Fiesser（1978），Chen和Lind（1982）中国矿业大学2008届本科生毕业设计第11页以及Wu（1984）等学者对Hasofer－Lind的方法进行了广义的延伸和扩充，并对复杂限制状态下目标的失效估计做了准确的分析。当Ditlevsen和Lind分别发现问题的不变性特征的后，二阶矩的简单可靠度方法的局限性就被发现了。人们发现，当确定的简单问题用另外一种等价的结构形式表示时，科内尔方法得到的可靠性结果不是不变的。但是，Hasofer和Lind（1974）提出了一般的结构可靠度定义指标，克服了上述方法的局限性。在结构设计系统中，存在着许多的失效形式，于系统的结构、外形和材料的属性、外载条件等因素有很大的关系。为了确定一个系统的可靠性，必须首先定义各部分的失效模式。然而，对于一个高度冗余的复杂系统来说，去确定各部分结构的失效模式的优先问题是非常困难的。利用以下的方法可以近似的得到一些结果（a）自动产生安全系数。（b）β约界法。（c）分枝界限法（Thoft－Christensen和Murotsu,1986）。在Bennett（1983），Ang和Tang（1984），Guenard（1984），Ditlesen（1986），Madsen，Krenk，和Lind（1986），以及ThoftChristensen和Murotsu（1986）等人的著作中对系统结构可靠性分析进行了全面详细的介绍和分析。但是在当时的环境下，还没有可以用来获得系统可靠性问题的实际解决的一般方法。
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