【摘要】：大載荷、大慣量、多自由度的重載操作機具有較強的多維度力位操控能力,與大型的液壓機協(xié)調(diào)作業(yè),可以大大提高制造能力、制造精度、生產(chǎn)效率和材料利用率,降低能耗。如何保證在極端條件下,重載操作機的操作性能、構(gòu)件之間的力承載能力、界面特性以及操作機關(guān)鍵構(gòu)件的剛度特性是重載操作裝備設(shè)計所面臨的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃,2006CB705403)課題“非連續(xù)工況下重載裝備的界面行為與力學(xué)特性”,開展了重載操作機關(guān)鍵構(gòu)件的相關(guān)研究。將不確定性分析和優(yōu)化思想應(yīng)用于重載操作裝備,重點研究了基于降維法可靠性算法以及相關(guān)變量的可靠性算法,深入討論了重載操作機關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)性能、可靠性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,為重載操作裝備的設(shè)計提供相關(guān)的理論、方法與技術(shù)支持。 本文的主要內(nèi)容如下： 1.提出歸一化的基于矩的積分方法(NMBQR)。針對單變量維數(shù)縮減法(降維法)中的MBQR方法存在的數(shù)值不穩(wěn)定問題,提出了改進降維法中NMBQR方法。當求解問題中輸入?yún)?shù)的均值很大或者變異系數(shù)很小的時候,NMBQR方法通過矩陣系數(shù)歸一化可以有效地改善線性方程組求解過程中由于系數(shù)矩陣奇異導(dǎo)致的數(shù)值不穩(wěn)定問題。 2.通過將改進的降維法與計算響應(yīng)概率密度函數(shù)(PDF)的最大熵方法進行聯(lián)合,提出了改進降維法的可靠性算法。并通過各種算例驗證了改進降維法求解結(jié)構(gòu)可靠度的優(yōu)點在于不需要求解響應(yīng)函數(shù)的導(dǎo)數(shù)以及不需要迭代求解最可失效概率點(MPP點)等,在進行結(jié)構(gòu)可靠性分析的時候具有較高的計算效率。 3.提出了基于改進降維法的相關(guān)變量可靠性算法。通過Nataf變換和Winterstein近似可以對任意分布的相關(guān)變量進行標準正態(tài)化,并采用Cholesky分解進行變量的獨立化,最后采用改進降維法求解結(jié)構(gòu)的可靠度。與僅在MPP點進行等概率變換的基于JC法的相關(guān)變量可靠性方法相比,Nataf變換方法是在設(shè)計空間的全域內(nèi)進行等概率變換。本文采用二維Gauss-Hermite積分來進行求解Nataf變換前后的相關(guān)系數(shù)；通過求解多項式方程可以得到Winterstein近似變換后相關(guān)系數(shù)的解析解,具有較高的計算效率。 4.進行了基于替代模型的操作機側(cè)壁結(jié)構(gòu)的可靠性分析�？紤]操作機側(cè)壁結(jié)構(gòu)中不確定性參數(shù),如肋板的厚度、側(cè)板的厚度以及載荷等信息,通過經(jīng)典的替代模型方法得到這些參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯式函數(shù)關(guān)系�？紤]輸入載荷之間具有較強的相關(guān)關(guān)系,利用本文提出的基于改進降維法的相關(guān)變量可靠性算法計算操作機側(cè)壁結(jié)構(gòu)的可靠度。 5.對重載操作機側(cè)壁結(jié)構(gòu)進行了拓撲與尺寸優(yōu)化設(shè)計,提出了一種新型的重載操作機側(cè)壁框架結(jié)構(gòu),降低了材料用量而且提高了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。針對操作機側(cè)壁框架的初始設(shè)計不能充分地利用材料以及有效地提供側(cè)壁框架側(cè)向剛度的問題,本文進行了基于最大化結(jié)構(gòu)剛度的拓撲優(yōu)化設(shè)計。其主導(dǎo)思想是通過拓撲優(yōu)化確定材料的分布區(qū)域,用于指導(dǎo)側(cè)壁肋板的分布,并根據(jù)拓撲優(yōu)化的結(jié)果建立新的側(cè)壁框架有限元模型,然后采用了基于替代模型的尺寸優(yōu)化設(shè)計來獲得最優(yōu)的設(shè)計尺寸。優(yōu)化結(jié)果顯示,在減少材料用量的情況下,仍然能夠保持結(jié)構(gòu)的強度和剛度不降低甚至有所提高。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH122

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本文編號：2598696