优化·可靠性

• 基于IABC-Kriging模型的自适应可靠性优化设计

  刘瀚儒;智鹏鹏;何瑞恒;张均富;赵亚东;

  【目的】针对复杂机械结构可靠性优化设计中性能函数表征困难、计算效率低的问题，建立一种基于改进人工蜂群（Improved Artificial Bee Colony, IABC）算法与并行加点Kriging模型的自适应优化设计框架。【方法】首先，利用Kriging模型构建了设计变量与性能函数的映射关系；其次，提出一种结合自适应学习函数H与函数B的并行加点策略，通过动态更新样本库提升了代理模型的拟合精度；然后，改进了人工蜂群算法的步长调整与蜜源追踪机制，提高了全局搜索的效率与精度；最后，将改进算法与国际结构安全性联合委员会组合法（Joint Committee on Structural Safety Combined Method, JC）结合进行了可靠度约束下的综合优化求解。【结果】算例分析表明，所提方法在保证优化精度的前提下，显著减少了性能函数的调用次数，提高了可靠性优化设计的效率，为复杂结构的稳健设计提供了有效的计算手段。

  2026年03期 v.48;No.251 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 2090K]
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• 初始状态与退化率相关下动态协变可靠性分析与剩余寿命预测模型

  魏鑫;唐家银;宋庆彪;李文雪;

  【目的】工程技术领域中的系统退化受用户操作、制造工艺、工作环境等多种因素影响，系统初始状态和退化速率之间通常存在相关性（Correlation between the Initial State and the Degradation Rate, CISDR）和动态协变量在退化模型中是需要考虑的关键因素，但同时考虑以上两类随机性的文献鲜见。针对上述问题，基于Gamma退化过程建立了考虑动态协变量及系统初始退化状态与退化率相关的可靠性模型来进行研究、分析。【方法】首先，建立剩余寿命预测模型，基于对系统运行过程中的状态监测数据的统计分析，推断出产品的剩余寿命分布；其次，针对系统退化周期内操作、运行环境的差异，使用奥恩斯坦-乌伦贝克（Ornstein-Uhlenbeck, OU）过程刻画了动态协变量变化，建立了考虑动态协变量的Gamma退化模型；再次，通过指数效应模型建立动态协变量与退化率之间的关联；最后，使用二元正态分布建立系统初始退化状态与退化率相关性模型，推导得到了系统可靠度函数与剩余寿命的概率密度。【结果】结果表明，仿真算例和应用实例验证了所建立的模型能够显著提高剩余寿命预测的准确性，同时考虑两种随机效应后的剩余寿命预测更加客观。

  2026年03期 v.48;No.251 10-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 1476K]
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• 性能退化自恢复型系统的柔性可靠性评估模型

  李文雪;唐家银;宋庆彪;

  【目的】针对齿轮传动等复杂系统受外部随机冲击后存在性能退化自恢复能力，现有模型难以精准评估其可靠性的问题，从竞争失效角度出发，构建柔性可靠性评估模型，实现该类系统的精准可靠性分析。【方法】首先，采用非线性变速率Wiener过程表征性能退化，兼顾随机因素与个体差异性，为动态退化特性刻画提供基础。其次，协同Poisson过程描述随机冲击，明确致命与非致命冲击的影响机制。然后，运用自恢复函数描述退化损伤完全或部分恢复过程，构建柔性竞争失效可靠性模型。最后，基于拟牛顿迭代算法与三次样条插值，提出多阶段参数估计方法，保障模型参数求解精度。【结果】算例验证表明，系统运行约1 100 h后，忽略自恢复效应会低估可靠度水平；所建模型与仿真结果的可靠度差值不超过0.015 7，且适用于线性/恒定退化速率系统及经典无自恢复系统，为齿轮传动等自恢复型系统的可靠性评估提供参考。

  2026年03期 v.48;No.251 21-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 1343K]
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• 球罐静强度可靠性设计分析

  刘岑;杨帆;吴森林;林晖;洪凯;刘小宁;

  【目的】针对钢制球罐在静强度与载荷分布参数呈现区间值特征时的设计难题，建立了一套基于概率与非概率理论相结合的球罐静强度可靠性设计准则。【方法】首先，引入集合理论，建立了强度分布参数为区间值时的可靠性指标模型；其次，系统分析了极高要求及一般要求下的液压试验、气压试验、气-液组合试验及正常运行等不同工况；最后，依据中径公式推导了屈服强度与爆破强度的可靠性指标、应力限制系数及安全系数。【结果】确定了在各试验与运行工况下满足可靠性要求的屈服及爆破强度系数取值范围，并给出了相应的工况系数。研究成果为球罐静强度设计提供了定量的可靠性参考方案，提高了设计的安全性与合理性。

  2026年03期 v.48;No.251 29-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 1614K]
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• 非均匀路面下被动行走机器人的吸引盆外部拓扑结构研究

  赵天;暴雨萌;浮红;高建设;刘强;

  【目的】吸引盆决定了被动行走机器人的全局稳定性，但其狭窄的形态给机器人在现实环境中的稳定行走带来了巨大的挑战。为解决该问题，对非均匀路面下被动行走机器人的吸引盆外部拓扑结构进行了研究。【方法】首先，建立了点足机器人在非均匀路面上行走的动力学模型；然后，利用相图、Poincaré截面图和吸引盆探究了机器人的步态变化和全局稳定性，其中，重点研究外界环境因素对系统吸引盆的影响，并对吸引盆的外部拓扑结构进行分类分析；最后，利用Adams软件仿真验证了稳定极限环的行走步态。【结果】结果表明，吸引盆外部拓扑结构具有分形特征，其中机器人能至少行走1步的区域占整个状态空间的41.28%。引入路面环境干扰会导致吸引盆的面积减小，但对盆外部拓扑结构的影响较小。研究结果拓展了被动行走理论的适用范围，并为步态初始条件的选择提供了更大的空间。

  2026年03期 v.48;No.251 37-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 2324K]
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• 6-PSS并联机构构型设计与参数优化

  王启明;薛牟宇;高大威;方鸣;葛运;

  【目的】针对6-PSS并联机构构型布置与尺度综合优化缺乏系统性研究的问题，通过多构型对比与算法优化，提升机构的工作空间与灵巧度。【方法】首先，设计了4种不同构型并建立运动学模型；其次，采用区间离散法求解了可达工作空间；再次，以工作空间为目标函数，分别利用粒子群优化算法和平衡优化器算法进行了尺度综合优化；最后，通过实物样机试验对模型有效性及误差灵敏度进行了验证。【结果】结果表明，平衡优化器算法在收敛速度与全局搜索能力上优于粒子群优化算法，得出最优结构参数组合，显著提升了6-PSS并联机构的综合运动性能，为该类高精度设备的设计提供了支撑。

  2026年03期 v.48;No.251 47-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 2466K]
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• 试验台工装拓扑优化及尺寸优化设计

  汪炯藤;阳光武;肖守讷;朱涛;杨冰;蔡松岑;

  【目的】拓扑优化是一种当前使用较为普遍的优化方法，其通过优化材料构造，在给定的设计空间和约束条件下找到结构设计的最优形状、实现轻量化和满足约束条件。基于变密度拓扑优化法的思想，以某试验台工装结构为分析对象，阐述了建立拓扑优化的数学模型及求解方法，以期为基于先进设计方法的结构设计提供参考。【方法】首先，在HyperMesh仿真软件中采用OptiStruct模块创建工装有限元模型，以最小质量和最大1阶频率为优化目标，对单工况下的工装结构进行拓扑优化及尺寸优化，合理布置材料分布及优化板件厚度，提高工装设计质量；其次，根据优化结果及制造加工实用性，设计新的工装结构；最后，在Nastran模块中按照GB/T 21563—2018标准对工装模型进行强度校核。工装结构完成实际加工后，将其置于振动台上，分别实施纵向、横向与垂向扫频试验，随后将试验结果与仿真结果进行对比。【结果】结果表明，1阶模态频率从766 Hz提升至1 009 Hz，提高了31.72%；同时，工装质量从51 kg降至44.26 kg，减轻13.24%，且强度符合设计标准，整体达到了预期的优化目标。

  2026年03期 v.48;No.251 60-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 2274K]
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• 基于改进PSO算法的多维振动铸件分拣平台设计与调姿优化

  李康康;王智慧;朱梓豪;王成军;尹豪宇;郑艳;

  【目的】针对传统铸件分拣平台运动自由度受限及调姿精度不足的问题，设计一种多维振动调姿平台并提出相应的优化算法。【方法】首先，研发了一种具有拨动机构的创新结构，并引入多维振动激励模块以实现铸件位姿调整；其次，提出了一种自适应动态调整权重的改进粒子群优化（Improved Particle Swarm Optimization, IMPSO）算法，通过引入自适应干扰力和动态权重机制，提升了算法的收敛性能；再次，建立了以位置和姿态偏差为目标的适应度函数，通过Matlab软件仿真对比了IMPSO算法与粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）、遗传粒子群优化（Genetic Algorithm-Particle Swarm Optimization, GA-PSO）、混沌粒子群优化（Chaotic Particle Swarm Optimization, CPSO）算法的性能；最后，搭建了样机试验平台进行实测验证。【结果】仿真结果表明，相比于传统算法，IMPSO算法的迭代收敛速度提升了10%～27%；样机试验显示，平台对铸件的位置与姿态调整最大偏差分别控制在0.396 74 cm与0.244 13°以内，能够满足复杂工业场景下的高精度柔性分拣需求。

  2026年03期 v.48;No.251 68-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 1597K]
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• 风力机叶片腹板结构拓扑优化设计研究

  范士杰;寿昊楠;缪维跑;朱海波;李春;岳敏楠;

  【目的】针对目前风力机叶片结构优化多集中于尺寸或铺层而内部构型相对固定的局限性，通过拓扑优化寻求叶片腹板的最优材料布局，实现叶片的轻量化设计并探索结构创新。【方法】首先，基于Abaqus软件拓扑优化模块，建立了叶片腹板的拓扑优化模型；其次，以结构刚度最大化为目标函数，在满足体积约束的前提下优化了材料分布；最后，对优化后的新型腹板结构进行了质量分布、刚度分布、抗振性能以及屈曲性能的综合对比分析。【结果】结果表明，优化后的腹板质量降低约4.56%；新型构型在保持叶片整体质量与刚度分布基本不变的同时，具有良好的抗振性能。尽管腹板最大应力有所增大且屈曲因子因支撑减弱而略有降低，但均处于材料允许范围及安全区间内，验证了拓扑优化在叶片轻量化设计中的有效性。

  2026年03期 v.48;No.251 77-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2953K]
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• 基于参数敏感度分层的高速车辆悬挂系统优化设计

  武福;杜泽阳;李忠学;杨喜娟;蒋鹏民;

  【目的】针对高速车辆悬挂系统优化存在参数多、计算耗时等问题，提出基于参数敏感度分层的高速车辆悬挂系统优化设计方案。【方法】首先，构建高速车辆单车动力学仿真模型并验证模型是否合理，运用最优拉丁超立方抽样法均匀抽取样本点代入动力学模型，计算动力学响应；随后，采用代理模型替代计算耗时的动力学模型以提高优化效率；然后，借助敏感度分析确定优化变量后，对该变量进行分层，对于分层后的两层变量，分别采用近邻培养移植算法、下山单纯形法推进优化流程；最后，对比优化解、原始解和使用非支配排序遗传算法Ⅱ（Non-dominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ, NSGA-Ⅱ）得出的结果。【结果】结果表明，在最优解下对非线性临界速度和脱轨系数的优化率分别为14.584%和9.615%，综合优化率高于NSGA-Ⅱ所得结果，并减少了设计迭代次数，改善了高速车辆动力学性能，验证了优化方法的可行性。

  2026年03期 v.48;No.251 87-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1928K]
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• 基于神经网络的负泊松比微结构拓扑优化

  王怡;郭延定;古观成;冮铁强;陈立杰;

  【目的】针对微结构拓扑优化设计中灵敏度分析计算量大的问题，建立一种基于神经网络的高效拓扑优化设计框架，实现负泊松比微结构的精确构型设计。【方法】首先，提出了一种全连接前馈神经网络（Fully-connected Feedforward Neural Network, FFNN）模型，以设计域坐标作为输入，密度场作为输出，建立了二者的映射关系；其次，引入了神经网络反向传播算法进行灵敏度分析以降低计算量；最后，通过对优化后的高分辨率负泊松比结构进行拉伸仿真及试验，验证了所提方法的有效性。【结果】结果表明，基于FFNN模型的优化框架能显著提升灵敏度计算效率，优化得到的微结构表现出明显的负泊松比效应，仿真与试验结果具有较高的一致性，为复杂微结构的设计提供了新思路。

  2026年03期 v.48;No.251 96-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 2025K]
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• 负泊松比结构填充汽车电池包的冲击响应分析与优化

  陈艺文;李煜;杨昆;王益博;

  【目的】电动汽车电池包的安全性能对车辆整体安全性具有重要作用。由于电动汽车具有独特的结构和动力系统，其在碰撞安全方面面临更多挑战。为最大限度地提高电动汽车电池包的安全性能，提出将负泊松比材料填充至电池包，利用其轻质、隔振性好和抗冲击性能高等性能特点，提升电池包的抗冲击性能和安全性能。【方法】首先，以具有内凹六边形胞元结构的负泊松比材料为研究对象，采用准静态压缩试验和仿真，验证内凹六边形负泊松比结构具有明显的负泊松比效应；然后，将负泊松比材料填充至电池包中，进行冲击响应分析；最后，采用响应面优化方法，以负泊松比电池包的最大等效应力最小和变形最小为优化目标，对用负泊松比材料填充的电池包的整体结构进行优化。【结果】结果表明，负泊松比电池包的最大等效应力相较原型电池包减小了26.93%，最大变形减小了36.92%，最大加速度减小了44.76%，负泊松比电池包具有更加优越的安全性能。相较于优化前，优化后的负泊松比电池包的安全性得以进一步提升。

  2026年03期 v.48;No.251 104-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 2170K]
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• 基于多体动力学与离散元联合仿真的装载机前车架焊缝疲劳分析与优化

  刘利壮;杜建;刘志雷;毕江;

  【目的】为解决装载机前车架疲劳开裂问题，应用多体动力学-离散元联合仿真技术，基于等效结构应力法对前车架进行焊缝疲劳分析与结构优化。【方法】首先，在用户现场进行装载机V形铲装典型工况载荷谱采集试验，通过装载机多体动力学与离散元模型联合仿真技术，获得前车架各铰点动态虚拟载荷谱；然后，在前车架各铰点施加六通道单位载荷求解其应力场结果，与动态虚拟载荷谱进行叠加，进行等效结构应力法下的前车架焊缝疲劳仿真分析。仿真预测前车架有3处危险部位，与实际疲劳开裂部位一致，最后，对故障部位进行结构优化。【结果】结果表明，优化后车架疲劳寿命提升15.6倍，使用寿命在15 000 h以上，满足产品设计要求。

  2026年03期 v.48;No.251 114-121页 [查看摘要][在线阅读][下载 1802K]
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实验研究·测试技术

• 带裂纹双膜盘联轴器转子系统的动力学建模与分析

  何淑婷;朱如鹏;王端滉;朱亚杰;

  【目的】针对带裂纹双膜盘联轴器转子系统动力学特性研究不足的问题，考虑联轴器刚度交叉耦合项，推导带裂纹膜盘的时变刚度矩阵，为该类系统裂纹故障诊断与安全运行提供参考。【方法】首先，建立含刚度交叉耦合项的转子系统动力学方程，为裂纹影响分析提供模型支撑；其次，基于有限元法求解系统临界转速，与Ansys软件仿真结果对比，验证模型的正确性；然后，通过Newmark-β法求解有、无裂纹时的动力学响应，获取转速-幅值图、频响-转速瀑布图及轴心轨迹；最后，系统分析裂纹长度（5～30 mm）和位置（内、外径）对系统响应的影响规律。【结果】结果表明，裂纹会引入2倍频成分，转速跨过ω_1/2(630 r/min)时轴心轨迹内环旋转约180°；输出端裂纹长度增至20 mm时，1阶临界转速从1 270 r/min降至1 260 r/min,2倍频成分显著增强；裂纹初期，外径处影响更明显，随着裂纹长度增加，内径处影响占优，验证了模型与分析方法的有效性。

  2026年03期 v.48;No.251 122-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 1786K]
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• 基于现场试验与数值模拟的黏滞阻尼墙应用效能分析

  张旭东;程严严;肖金雍;杨杰;

  【目的】为克服传统抗震方法依赖结构件自身耗能、易导致建筑损伤与倒塌的被动性缺陷，以某图书馆的框架-剪力墙结构为工程案例，系统分析了黏滞阻尼墙技术在该实际建筑中的应用方法与效能。【方法】首先，该技术通过外部钢板（黏滞体容器）与内部钢板（阻抗板）的相对运动，将层间变形转化为能量耗散，并利用阻尼力与变形之间的滞回效应吸收振动能量，从而有效降低结构的动力响应；其次，通过试验分析了黏滞阻尼墙的滞回性能，并对主体结构进行了多遇地震下的弹性分析，以及在设防地震和罕遇地震下的弹塑性时程分析。【结果】结果表明，黏滞阻尼墙具有优良的滞回耗能能力，可为结构提供附加阻尼，显著消耗地震能量，有效提升建筑结构的抗震性能。研究成果对类似工程具有重要的理论价值和实践参考意义。

  2026年03期 v.48;No.251 133-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 2960K]
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• 桁架型高耸结构碳纤维加固的多层级试验研究

  崔融;高维健;牛荫杰;张笑闻;

  【目的】针对桁架型高耸结构在长期服役中因材料老化、动态荷载及极端环境导致的稳定性劣化问题，系统评估碳纤维加固工艺的增强效应。【方法】建立了“材料-部件-整体”多层级试验方法。在材料级测试界面，进行黏接性能及复材板性能的测试；在部件级对加固前、后的L形截面梁及连接节段进行四点弯曲试验，验证局部加固效果；在整体级通过拉力试验对甘肃兰州某25 m高通信塔进行实地测试，分析主承力部件应变与顶端位移。【结果】试验结果表明，材料级砂纸打磨使钢/碳纤维粘接剪切强度提升29.98%，优于喷砂和激光处理；部件级加固后L形梁及节点的屈服载荷提升15%以上，局部应变降低65%～75%；整体级主承力部件应变降低28.52%，顶端位移减少15.58%。所提加固工艺显著改善了结构刚度与强度，为工程应用提供了优化依据。

  2026年03期 v.48;No.251 145-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 1655K]
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• 弹丸介质及尺寸对7075铝合金喷丸残余应力场及粗糙度的影响研究

  周晶晶;孔庆东;刘湘波;戴浩;龙祥麟;王猛;魏艳红;

  【目的】在航空器轻量化制造中，通常使用喷丸强化技术来提升铝合金的性能，但目前对喷丸强化残余应力的数值模拟多基于弹丸随机分布模型，且对不同介质弹丸喷丸后靶材粗糙度的相关研究较少，有必要针对该问题展开研究。【方法】建立弹丸概率随机分布有限元模型，开展喷丸强化数值模拟，研究不同介质及尺寸弹丸对7075-T651铝合金靶材喷丸强化后残余应力场及表面粗糙度的影响。【结果】结果表明，相同喷丸参数分别使用铸钢丸、玻璃丸、陶瓷丸喷丸强化靶材，压应力层深依次减小；陶瓷弹丸直径从0.3 mm增大至0.58 mm，最大残余压应力由559 MPa增大至641 MPa，当弹丸直径进一步增大至0.71 mm时，最大残余压应力增幅减缓；陶瓷弹丸直径从0.71 mm减小到0.3 mm，喷后靶材表面粗糙度R_z从22.6μm减小到5.1μm，应力集中系数K_t从1.368 3减小到1.166 7。

  2026年03期 v.48;No.251 152-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1642K]
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