基于动态窗口采样的变可信度近似可靠性设计优化研究

With the improvement of the precision requirement of complex structure, the physical and simulation cost of reliability-based design optimization (RBDO) increases dramatically. Therefore, new methods considering both the approximation robustness and computational flexibility are urgently needed to deal with the contradiction between the solution accuracy and computational cost. As an important trend in reliability-based design optimization of complex structures, variable-fidelity approximation combines the advantages of multiple analytical models. Aiming at addressing the basic scientific problems of integration strategy between variable-fidelity approximation and RBDO, this project studies the variable selection method using the weighted regression coefficients and confidence interval to reduce the design space dimension; studies the variable-fidelity modeling method using ensemble of surrogates to approximate the implicit problems robustly; studies the dynamic window sampling strategy to synchronously update the variable-fidelity model and RBDO solution. This project aims at revealing the influence rule of variable-fidelity samples to the modeling performance of variable-fidelity approximation, laying the theoretical foundation for developing the variable-fidelity approximation based high-performance RBDO methods of complex structures.

随着复杂结构产品设计精度要求的不断提高，可靠性设计优化的物理和仿真成本呈几何倍数增长，因此迫切需要一种兼顾精度稳健性与计算灵活性的可靠性设计优化方法来应对求解精度与计算成本之间的矛盾。变可信度近似集成了低可信度模型的高效率与高可信度模型的高精度，是当前复杂结构可靠性设计优化理论研究的重要趋势。本项目针对变可信度近似方法与可靠性设计优化理论融合中涉及的基础科学问题，研究基于回归系数和置信区间加权的变量筛选方法，有效降低设计空间维度；探索基于聚合模型的变可信度近似构建策略，实现隐式问题的稳健近似；在此基础上给出基于动态窗口采样的可靠性设计优化求解策略，实现变可信度近似与可靠性设计优化的同步更新求解。本项目旨在通过分析不同可信度样本点对变可信度近似性能的影响规律，揭示变可信度近似与可靠性设计优化求解的耦合机理，从而为发展多可信度响应的复杂结构可靠性设计优化理论奠定基础。

可靠性设计优化通过评估影响性能响应的随机因素，并对其不确定性进行统计量化，在此基础上通过失效概率求解和数学规划实现设计寻优。因此，可靠性设计优化是提升产品性能和市场竞争力的有效措施。本项目以成本、效率等为优化目标，以应力、变形、寿命等响应的可靠性为约束，对其和设计参数之间的近似模型构建理论和优化方法展开了研究。.① 研究了复杂产品变量分析与响应评估方法。通过熵权TOPSIS综合贡献度分析筛选出对刀盘质量、变形和应力影响显著的参数作为设计变量，极大减少了刀盘设计变量数目。对电火花工艺参数进行贡献度分析，并分别采用单脉冲热流仿真、多脉冲热流仿真和实际电火花加工实验，以不同成本获得了不同精度的性能响应数据。.② 建立了盾构机刀盘结构参数-性能响应隐式关系的聚合代理模型，在此基础上开展轻量化设计，有效实现了刀盘减重。建立了溜槽结构参数与最大冲击力、物料运输速度的聚合核函数支持向量回归模型，有效提升了建模精度。建立了电火花工艺参数与性能响应之间隐式关系的变可信度近似模型，充分利用了热流仿真低可信度数据和电火花实验高可信度数据。 .③ 研究了基于分类不确定性度量和极限状态Kriging建模的可靠性设计优化方法，量化了安全状态的误分类概率和由分类不确定性导致的误分类随机点的数量。提出了基于多约束失效追踪采样策略的可靠性设计优化方法，有效识别优化迭代过程中的敏感约束，提升了可靠性设计优化求解效率。.④ 开发了基于多可信度近似的复杂产品可靠性设计优化系统，在迭代设计点的局域中选取能够最大化变可信度近似模型精度的样本点，为可靠性设计优化和变可信度近似理论在工程实际中的应用提供了技术参考。.本项目形成了失效概率评估、聚合模型构建、序列样本配置、变可信度近似等相关技术，为可靠性设计优化研究提供了技术支持，并对盾构机刀盘、前中盾等复杂结构的应用实施提供了参考，为我国高端装备发展做出了贡献。