基于多工况失效物理建模和集成MDO的大型矿用挖掘机传动系统时变可靠性设计研究

Transmission system of large-sized mining excavator is a multidisciplinary coupled, multi-system shared, time-dependent and nonlinear complex mechanical system, time-dependent reliability based design optimization, including physics of failure modeling, dynamic reliability assessment under multi-failure modes, and multidisciplinary analysis, is a primary work ensuring safety, dependability of this complex mechanical systems. The new project proposal is based on reliability based design optimization for transmission system of large-sized mining excavator, and it extends existing research by considering physics of failure modeling under multi loading cases and integrated MDO based time-dependent reliability design optimization. The research mainly includes research on meta-modeling technique and Bayes information updating theory based time-dependent physics of failure modeling, time dependent Copula function and importance sampling approach based dynamic reliability assessment under multi failure modes, hierarchical and non-hierarchical optimization algorithms integrated multidisciplinary design optimization, time-dependent reliability design optimization for excavator transmission system will be analyzed and verified. The reliability assessment and reliability based multidisciplinary design optimization theory system is developed. It may lead to a significance of enhancing reliability of complex system, and bring practical value for improving the quality of the product design.

大型矿用挖掘机传动系统是一个多学科耦合、多系统交互、时变、非线性复杂机械系统，对其进行包括时变失效物理建模、多失效模式下动态可靠性评估和多学科分析在内的可靠性设计优化是保证其安全、可靠的基础。本项目以大型矿用挖掘机传动系统设计优化为工程背景，开展复杂系统基于多工况失效物理建模及集成MDO的时变可靠性设计研究。主要研究内容包括：基于代理模型技术和Bayes信息更新理论的时变失效物理建模方法、基于时变Copula函数与重要样本技术的多失效模式下动态可靠性评估方法、层次型和非层次型优化算法集成的多学科设计优化方法，并以挖掘机传动系统的时变可靠性优化设计实例进行验证；建立大型矿用挖掘机传动系统可靠性评估及多学科可靠性设计优化理论体系。该项目对复杂系统的可靠性评估具有重要意义，对于提高产品设计质量具有实际价值。

对复杂装备进行可靠性研究是提高其核心竞争力的关键问题。时变性是复杂装备的典型特征，也是可靠性的重要属性，由于时变可靠性理论能客观反映零部件和复杂装备可靠性随寿命指标的变化规律，是当前可靠性领域十分关注的的重要方向。建立高置信度失效物理模型和高精度、高效率的时变可靠性指标是复杂机械系统时变可靠性设计中的关键科学问题。本课题以大型矿用挖掘机传动系统为研究对象，开展了耦合不确定性下失效机理分析与建模、时变可靠性评估和优化设计问题的研究。主要研究内容及成果如下：（1）提出了融合有限元方法和弹性接触理论的齿轮传动系统时变啮合刚度分析方法，发挥了有限元方法计算整体变形的的优势，同时结合弹性接触理论能够准确计算局部接触变形的优点，有效地提升了计算效率。（2）提出了基于APDL命令流数值仿真的内外激励耦合作用下齿轮传动系统动态失效机理分析方法，进一步建立了齿轮传动系统失效机理 Kriging代理模型；（3）建立了齿轮传动系统动态可靠性优化设计模型；（4）提出了基于高斯过程回归、循环神经网络、支持向量机及深度神经网络等机器学习方法的时变失效物理建模及可靠性评估方法；（5）提出了考虑多失效模式相互作用的机械零件可靠度评估方法；（6）构建了复杂系统可靠性设计的集成多学科设计优化框架；并结合大型矿用挖掘机提升机构齿轮传动系统时变可靠性优化设计对所提方法进行了验证和修正，以后的研究将针对模型的进一步更新和推广，为解决复杂机械系统可靠性设计问题提供新思路和新方法。