一种桥机可靠性优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种桥机可靠性优化设计方法，包括以下步骤：S1.定义起重机中不确定性结构参数，将不确定性参数描述为区间变量；S2.根据结构失效形式建立极限状态函数，基于区间分析方法，采用MATLAB内部的Vpasolve函数求解优化模型中的可靠性指标；S3.引入非概率可靠性指标，以给定要求可靠性指标为约束条件，建立非概率可靠性优化设计模型；S4.求解优化问题。本发明专利技术能够有效快速准确求解可靠性指标；其次考虑实际中优化算法在求解过程中普遍存在迭代速率低、寻优精度不高以及存储空间大等缺陷。本发明专利技术在研究传统飞蛾火焰算法的基础上，对其进行有效的改进，显著地提高了外层优化器的收敛速率和收敛精度。对于工程实际中的结构可靠性优化设计中，具有重要的价值。

【技术实现步骤摘要】
一种桥机可靠性优化设计方法
本专利技术涉及桥机
，更具体地，涉及一种桥机可靠性优化设计方法
技术介绍
随着国内经济快速发展，科学技术创新已成为促进经济发展的关键因素。起重设备的大型化、高速化、专用化、智能化、轻量化等发展趋势已经得到行业的公认，起重设备的轻量化不仅可以降低起重设备产品的生产成本、降低起重设备的功耗，而且可以降低使用厂家的投资。由于起重机工作环境复杂、作用载荷多变以及多机构、多部件直接或间接与工作人员接触等众多因素加剧了起重机在使用过程中的潜在危险。每年起重机械事故的发生都会造成一定的财产损失甚至人员伤亡，后果惨重。因此，如何在最大限度发挥起重机械的经济效益的同时又能满足其在工作过程中的安全可靠，成为起重机械设计的发展潮流。桥式起重机可靠性优化设计就是从结构安全性和经济性两方面考虑，以优化方法作为基本工具，并将可靠性分析融入到优化模型，使优化出来的结果既满足结构性能又满足人们所希望的可靠性要求，从而使设计的结构在经济成本和安全稳定之间达到最佳匹配，满足效益最大化要求。现有技术中，《一种在不确定性环境下的工程结构优化设计方法》现有方案所述，首先该方案在描述不确定性量时，只描述了三种可能出现的情况，在实际应用中会产生歧义。其次在现有方案中提出基于配点型随机/区间传播分析方法方法计算可靠性指标，在这一步骤中，由于实际工程中非线性程度普遍较高，配点型区间分析易造成极大误差。最后，在现有方案中提到根据实际问题选用不同的优化求解器实现外层优化算法，在实际中优化算法在求解过程中普遍存在迭代速率低、寻优精度不高以及存储空间大等缺陷。本文中，相关术语：非概率可靠性：在实际工程中,不确定因素的存在在所难免。在结构的分析和设计中,需要合理地定量处理这些不确定性。可靠性分析与这些不确定性紧密相关。在传统的可靠性方法中,是用概率论和模糊理论处理不确定性。但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要较多的数据,用以定义参数的概率分布或隶属函数。且通常计算量较大。近年来的有关研究表明,概率可靠性对概率模型参数很敏感。概率数据的小误差可导致结构可靠性计算出现较大误差。说明在没有足够的数据信息描述概率模型时,在主观的假设下,概率可靠性计算的结果是不可靠的。而且,实际上在很多情况下,不易得到不确定参量的精确概率数据(如载荷)。但参量不确定性的幅度或界限则易于确定。进入90年代以来,Ben-Haim和Elishakoff等人提出并倡导使用不确定性的凸集模型。认为当掌握的数据信息较少时,宜采用集合模型描述不确定性。Ben-Haim于1994年基于凸集理论,首次提出了非概率可靠性的概念。认为若系统能容许不确定参量在一定范围内的波动,则系统是可靠的。Elishakoff于1995年在针对此概念的讨论中提出了一种可能的度量方法。认为非概率可靠性同不定参量一样,属于某一区间。提出的可靠性指标是一区间而非一具体量值。区间的边界是根据传统的安全因子进行区间运算求得。此法实际上是传统的安全因子法和区间算法的简单结合。区间变量：区间模型通常是用来定义结构中参数的不确定性，假设结构中某参数x，无法确定参数x的准确值，只知其在某一区间内变化，类似这样的参数可以用下面的集合来表示：x∈[xl,xu]＝{x∈R|xl≤x≤xu}式中：xl、xu∈R——不确定变量的下、上限。通常这样的区间集合可以用来表示结构参数的变化范围，在区间模型中用类似这样的封闭集合来定义结构参数的不确定性。除此之外，还发展出了另外一种表达参数不确定性的形式，这种表达只需知道不确定参数的均值以及离差就能有效地定义参数的不确定性，这种形式表达如下：x∈[xl,xu]＝[xc-xr,xc+xr]＝xc+xr[-1,1]式中：——不确定变量x的均值；——不确定变量x的离差。根据式(3-2)可以将不确定变量x标准化为：式中：δ——标准化区间变量，其取值范围为-1到1。非概率可靠性指标：如图5所示，假定某结构存在n个类似于前面中所提到的x，即与结构性能相关的不确定参数可以组成不确定参数集合：x＝[x1,x2,...,xn]∈Rn。通常这些不确定参数在结构可靠性分析过程中会影响结构的极限状态功能函数M＝g(x1,x2,...,xn)，结构失效的临界状态为g(x1,x2,...,xn)＝0，由上述可将极限状态函数进行标准化变换为M＝g(x1,x2,...,xn)＝g(δ1,δ2,...,δn)，该极限状态功能函数的临界状态将结构的可行域分为两部分，一部分为失效区域(M＜0)，另一部分为安全区域(M>0)。因此，由结构的极限状态功能函数的临界状态可引申出在区间模型下的非概率可靠性指标的定义：η＝min(||δ||∞)s.t.M＝g(x1,x2,...,xn)＝g(δ1,δ2,...,δn)＝0可以看出η的意义为：在标准化空间内，坐标原点到功能函数失效临界面的距离，以数学中的无穷范数来衡量。且η值越大，结构性能可靠程度越高。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种桥机可靠性优化设计方法。本专利技术使优化出来的结果既满足结构性能又满足人们所希望的可靠性要求，从而使设计的结构在经济成本和安全稳定之间达到最佳匹配，满足效益最大化要求。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：提供一种桥机可靠性优化设计方法，包括以下步骤：S1.定义起重机中不确定性结构参数，将不确定性参数描述为区间变量；S2.根据结构失效形式建立极限状态函数，基于区间分析方法，采用MATLAB内部的Vpasolve函数求解优化模型中的可靠性指标；S3.引入非概率可靠性指标，以给定要求可靠性指标为约束条件，建立非概率可靠性优化设计模型：S4.求解优化问题。进一步地，所述步骤S2中，Vpasolve函数对内层进行可靠性分析具体包括S21.根据结构失效模式写出极限状态功能函数并对其进行标准化，计算随机变量个数，写出随机变量系数矩阵A；S22.设置i＝1，随机变量δ×A[i,:]，得到第一个一元函数，对其进行求解，将其存放在矩阵B；S23.i＝i+1，直到求解完所有的一元函数，将所有的值存放在矩阵B；S24.对矩阵B绝对值求最小，即非概率可靠性指标。进一步地，所述步骤S3中，所述非概率可靠性优化设计模型为其中，f(x)为目标函数，x为确定性变量，p为不确定性变量，xu为确定性变量的上限，xl为确定性变量的下限。进一步地，所述飞蛾火焰算法的过程为：设置算法参数，初始化种群；在进行结构可靠性分析后，计算目标函数值、火焰数量；对目标函数值排序，并得到相应的种群；得到火焰位置和相应函数值，并更新飞蛾位置。进一步地，所述步骤S4中，飞蛾火焰算法的自适应火焰数量的更新机制为：式中l表示当前迭代次数；N表示火焰的最大数量；T表示最大迭代次数。进一步地，所述步骤S4中，飞蛾火焰算法中飞蛾位置更新公式为：S(Mi,Fj)＝Di·ebt·cos(2πt)+F1式中Di为第j个火焰到第i只飞蛾的距离；b为螺旋形状常数；t为[-1,1]的随机数；F1为每代群体中最佳的个体。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术在参考其描述时，结合起重机金属结构的实际情况，定义起重机金属结构不确定性量为区间变量，使得起重机的金属结构能够得到确定的描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥机可靠性优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.定义起重机中不确定性结构参数，将不确定性参数描述为区间变量；S2.根据结构失效形式建立极限状态函数，基于区间分析方法，采用MATLAB内部的Vpasolve函数求解优化模型中的可靠性指标；S3.引入非概率可靠性指标，以给定要求可靠性指标为约束条件，建立非概率可靠性优化设计模型；S4.求解优化问题。

【技术特征摘要】
1.一种桥机可靠性优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.定义起重机中不确定性结构参数，将不确定性参数描述为区间变量；S2.根据结构失效形式建立极限状态函数，基于区间分析方法，采用MATLAB内部的Vpasolve函数求解优化模型中的可靠性指标；S3.引入非概率可靠性指标，以给定要求可靠性指标为约束条件，建立非概率可靠性优化设计模型；S4.求解优化问题。2.根据权利要求1所述的桥机可靠性优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，Vpasolve函数对内层进行可靠性分析具体包括S21.根据结构失效模式写出极限状态功能函数并对其进行标准化，计算随机变量个数，写出随机变量系数矩阵A；S22.设置i＝1，随机变量δ×A[i,:]，得到第一个一元函数，对其进行求解，将其存放在矩阵B；S23.i＝i+1，直到求解完所有的一元函数，将所有的值存放在矩阵B；S24.对矩阵B绝对值求最小，即非概率可靠性指标。3.根据权利要求1或2所述的桥机可靠性优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述非概率可靠性优化设计模型为其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄双云，吕方，赵会娟，刘德春，黄昌胜，彭芸，李忠为，陈铁军，张华龙，杨驰名，陈欢，韦金今，胡馨丹，
申请(专利权)人：株洲天桥起重机股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43