答辩发言稿
2020-03-03 03:03:39 来源：范文大全收藏下载本文
答辩讲话稿
各位老师好：
我的论文题目是《平面轨迹机构静态综合可靠性研究》。我的论文包含以下6个部分
首先介绍一下绪论。他包括选题背景，研究现状、研究思路、研究内容这四个部分。
选题背景：机构在运动过程中不可避免地存在不确定性，一旦不确定性导致的动作失效或系统失效可能会导致灾难性的事故。美国生产的波音747客机发生过舱门自动打开故障，1978年美国发射的陆地2号卫星因为偏航飞轮失效从而导致了整个卫星的运动失效，1986年1月28日美国“挑战者”号航天飞机由于火箭助推器里的封闭环失效而发生爆炸，2006年，我国发射的“鑫诺2号”卫星因为太阳翻版二次展开未果而失败，2014年10月上海浦东机场波音747飞机因起落架故障导致飞机降落倾斜。因此，不确定性引起的机构运动输出精度问题是工程设计中重点考虑的问题，机构运动精度可靠性问题越来越值得关注和研究。往往学者在研究轨迹机构时总用确定性研究方法来代替不确定性研究方法，定义机构不存尺寸公差，杆件之间不存运动副间隙等等，以此确定性方法进行轨迹机构的综合，机构运动可靠性低，失效概率大，满足不了机构运动输出高精度要求。近些年，经过学者的研究，概率统计理论逐渐成为处理这类不确定性的成熟方法，以概率统计理论为基础的机构运动精度可靠性研究方法成为研究轨迹机构可靠性分析、可靠性综合的重要手段。
研究现状：（1）研究对象从刚性机构延伸到弹性机构。（2）机构不确定性参数有新发展。（3）机构运动可靠性研究从运动可靠性分析、可靠性综合发展到以可靠性为基础的机构的稳健性设计和机构可靠性灵敏度分析。运动误差建模是研究轨迹机构可靠度的重点，以往研究方法主要基于以下两种（1）基于指定点与生成点之间的欧氏距离提出的结构误差模型及其改进型]，（2）基于机构机架杆方位误差提出的结构误差模型。此外还有学者提出以机构变形能误差作为机构的结构误差但以上方法多数基于机构输出点的各运动分量误差即欧氏误差模型提出机构的运动可靠性分析模型，该模型分别求解机构在各运动分量上再现期望轨迹的概率，难以体现机构在运动区间上某指定点处机构的整体失效情况，亦即机构在该点的综合可靠度。
研究思路：这张是我们研究思路，首先根据不确信性理论对机构进行不确定性建模，然后对其进行可靠性分析综合，然后应用到工程实际中去
研究内容：根据以上研究思路，我的研究内容是，先通过机构的不确定性建模，我们提出多失效模式建模，然后对其进行可靠性分析，进而进行确定性综合、可靠性综合，最后基于机构运动精度和制造成本对机构进行了稳健性综合，
下面进入我们的研究内容
第二章是考虑尺寸公差机构可靠性分析：
（1）通过P点坐标方差和环路方程联立求解。可以解出连杆转角
然后进行机构可靠建模，我们定义机构实际输出坐标为：期望坐标为，则可以计算出机构在两个方向上的误差。因此可以分别在这两个方向上算出可靠度，然后我们更关心的是综合可靠度可将各运动分量的失效看作一种失效模式，基于多失效模式定义机构运动可靠性模型为： （2）可靠性分析模型求解，对于各分量的运动可靠度可由一阶二次矩方差求解，进而求出失效概率，误差函数在X的均值处进行泰勒公式展开，则可以求出误差传递系数，作一些列变化，因为其服从正态分布，所以可以求出误差方差的均值和方差，以便于求解可靠度。对于综合可靠度则必须考虑两个方向方差的相关系，求协方差，然后求出相关系数，最后根据二位正态分布，积分求解综合可靠度。
（3）实例分析，我们采用此表中期望轨迹，通过编程计算求解可靠度如表，通过对比可知所提方法与蒙特卡洛方法精度较高
（4）最后本章得出结论： (1)可靠性分析模型能够反映机构在整个运动区间上某指定点处整体失效情况，或者说反映了机构在某指定点能够再现期望轨迹的整体概率和能力。（2）该模型思路构建简单清楚，便于编程求解。
第三章不仅考虑了尺寸公差还考虑了运动副间隙对机构的影响程度。
（1）机构运动分析还是通过点P坐标和环路方差求解连杆转角，然后定义两个方向机构运动误差，从而得出XY方向可靠度。将每个方向看成一种失效模式，进而得到综合可靠度。此处运动副间隙变量
（2）我们用截尾降维法进行处理。得到机构误差函数后，采用7点高斯积分，求出误差函数的均值和方差，进而为求可靠度打好基础。
（3）实例分析采用第二章数据，最后对比结果，发现在7,8点处的误差较大：原因是（1）在采用混合降维算法处理机构运动误差函数时存在截断误差，因为算法忽略了运动误差函数展开式的高阶项。（2）文中根据大数中心律假定双变量函数服从正态分布，而事实上的分布类型未知，因此这一假设引起后续分析存在一定误差。
（4）所以最后本章可以得出结论（1）截尾降维法可以有效处理运动副间隙，所提模型算法具有较高求解精度。（2）该可靠性求解模型可以有效反映机构在指定点处的整体失效情况
第四章平面轨迹机构静态可靠性综合
（1）优化模型可以包含以下三要素①设计变量（design variable）：是指机构所要优化的对象，工程设计中想要求解的设计参数，可分为机构几何参数，如杆件尺寸变量、曲柄角度变量、弹性模量等等。
②目标函数(objective function)：是与设计变量相关联的函数，同时是设计变量获得最优解的根据，往往在优化过程中所要寻求的极小或极大函数。
③约束函数(constraint function)：完成机构运动或机构设计必须满足的条件，往往可靠性优化中加入可靠性约束条件，并对约束函数进行概率分析求解，同时约束函数也是设计变量的函数。 （2）我们来一起确定性优化模型的三要素，首先是确定性优化
（1）设计变量为，他包含杆件尺寸变量，结构参数安装角度变量，还有在轨迹点处对应的曲柄转角。（2）目标函数采用传统误差函数欧氏距离的平方最小。（3）约束条件，首先是曲柄存在条件约束，然后再是传动角条件约束，加上变量的上下边界约束条件，最后我们得到确定性优化模型如下；
可靠性优化的模型设计变量为两部分，一部分是不确定性设计变量，为尺寸变量的均值，一部分为确定性设计变量，曲柄角度变量还有结构参数等等，目标函数为欧式距离的平方和最小约束条件，确定性模型我们的约束条件不适用于可靠性模型，要将约束条件进行概率上的阐述首先约束条件中包含可靠性约束条件，即其最大失效概率小于许用值，不等式约束条件gci(X)0仅适用于确定性优化模型，不适用于可靠性优化模型，故将不等式约束变换成相应的可靠性约束条件。gci(X)0是满足约束条件的可靠事件，而gci(X)0就是失效事件，那么Prgci(X)0则为失效概率，其值须小于允许极限失效概率pfi。此处，Prgci(X)0，我们采用一次二阶矩方法(FOSM)计算如下：这样便可以计算出约束条件失效概率，使其不小于许用值。此外模型中还要加入边界约束条件，则静态可靠性综合模型为：已经建立了模型我们就要求解模型，下面是我们模型求解的流程图，有两个步骤：对于这两个步骤的做以下详细解释说明：
步骤一：给出机构确定性综合的初始设计点Z0(X0,d0,0)，并根据式4.8建立确定性综合模型，通过机构分析得到该模型的目标函数和约束条件表达式，通过计算机编程计算求得确定性优化解Z(X,d,*)。需要特别注意的是该模型中的设计变量X是确定性尺寸变量及不考虑尺寸变量和运动副间隙等不确定性因素。
步骤二，采用上一步所得到的确定性综合解Z(X,d,*)，使其作为静态可靠性综合的初始设计点，由式4.19建立静态可靠性综合模型，进而求解可靠性综合解Z1(X,d,*)。在静态可靠性模型中，我们在约束条件中也加入了可靠度约束条件，因此在综合过程中要对机构进行静态可靠性分析（静态可靠性分析在本文第二章，第三章已经求解）。在可靠性综合模型中，不等式约束的失效概率Prgci(X)0，可由式(4.12)，通过FOSM方法及一次二阶矩法求解。相比确定性综合而言，静态可靠性综合模型中考虑了两类不确定性因素的影响：尺寸公差、运动副间隙。静态可靠性综合模型以尺寸变量的均值和其它确定性变量为设计变量。
实例分析取确定性综合初始设计点Z0(X0,d0,0)，X0(70,9,40,50,8)为杆件(L1,,L5)的初始设计取值，d0(5,0.3,2,13)分别为,,xa,ya的初始取值。23467890(,,,,,,,,,2)为10个曲柄转角的初始取值，55555555Z0U(150,150,150,150,150,2,2,150,150,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2)，设计变量的下界为：Z0L(0,0,0,0,0,0,0,150,150,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)。机构运动误差限为0.07，可靠性优化模型则采用确定性综合的解为初始设计点进行求解。采用MATLAB编程求解得到的优化解如图所示
可以有一下分析：这个图中考虑尺寸公差优化误差均值：除第9点x ,y方向外，可靠性优化的运动输出误差均小于确定性优化的运动误差。考虑运动副间隙优化误差均值：除第3点y方向外，可靠性优化的误差均小于确定性优化的运动误差。再看可靠度比较：考虑尺寸公差：（1）对于考虑尺寸公差机构确定性优化最大失效概为3.0416×10-3在1,2,10点的失效概率均大于许用值。2）考虑尺寸公差机构可靠性优化最大失效概率为2.6124×10-5小于许用值。考虑运动副间隙机构：
(1) 考虑运动副间隙机构确定性优化最大失效概率为7.3192×10-3，且在1,2,7,8,10点处失效概率均大于许用失效概率最大。（2）考虑运动副间隙机构可靠性优化最大失效概率为3.5705×10-5均小于许用值1.5×10-3，
最后本章得到结论为： (1) 在初始变量边界相同情况下，满足可靠性优化一定满足确定性优化，满足确定性优化不一定满足可靠性要求。（2）可靠性优化的最大失效概率要小于许用最大失效概率，确定性优化的最大失效概率大于许用最大失效概率，可靠性优化的意义在于使机构运动在满足可靠性要求下，运动误差尽可能小。因此，满足确定性要求并不一定满足可靠性要求，满足可靠性要求一定满足确定性要求。（3）随着设计参数的增加，设计就越灵活，越容易满足设计精度和失效概率的要求，确定性优化和可靠性优化的解更加丰富，更方便找到失效概率更小的优化解。因此在优化时，确定设计变量要根据工程实际和模型要求，合理的确定设计变量数目，以便于找到最优解。
第五章平面轨迹机构稳健性综合
本章我做了两种综合，一种是基于机构运动精度稳健性综合。现在进行建模。其设计变量为一部分是不确定性设计变量，为尺寸变量的均值，一部分为确定性设计变量，曲柄角度变量还有结构参数等等，目标函数为目标函数分为2个部分，f1(X)为离散点处机构误差均值平方和，f2(X)为相对应离散点处机构运动误差方差平方和:
可得到考虑尺寸公差机构运动误差均值和误差方差，根据式（3.15）、（3,16），可得到考虑运动副间隙机构运动误差均值和误差方差。n为机构运动轨迹点号。w1,w2为加权因素，它反映了各个单目标对整个多目标问题的影响程度，我们采用线性加权和法确定w1,w2的取值，即求[70]：
即将各单目标最优化解的倒数取为加权系数，式(5.4)~(5.6)反映了各个单目标值离开各自最优解的程度。则对应此模型中，可以确定w1,w2: 则稳健性综合目标函数为：
F(X)（3）确定约束条件
11f1(X)f2(X)
minf1(X)minf2(X)
与可靠性综合模型相同，pf*和pfi*均为允许的失效概率，maxpf()pf*为可靠性约束条件，Prgi(X)0为平面轨迹机构不等式约束的失效概率。曲柄摇杆机构存在约束条件和传动角约束条件与第四章可靠性优化模型相同，余下三个不等式为设计变量边界约束条件。则得到稳健性优化模型为：
对此进行实例分析（1）考虑尺寸公差机构稳健性优化误差均值：考虑尺寸公差机构除第
2、
3、7点 y方向外，其余各点在方向上稳健性优化的运动误差均值
第二种是基于制造成本的稳健性优化 （1）确定设计变量
以杆件的结构公差L为设计变量，L(L1,L2,L3,L4,L5)
（2）建立目标函数
为了解决机构运动性能和制造成本之间的矛盾，希望在满足运动精度要求下，使机构具有经济的制造成本。目前研究制造和公差成本之间的关系的经典曲线是实验deter曲线：
c(t)aebt
minc(L)aiebiLi
i151根据 3原则，标准差LiLi，在这里为了方便计算，设aibi1，则
3目标函数可以简化为：
minc(L)eL1eL2eL3eL4eL5
（3）确定约束条件
*maxpf()pf *Prgci(X)0pfij1,2..5与可靠性综合模型相同，pf*和pfi*均为允许的失效概率，maxpf()pf*为可靠性约束条件，Prgi(X)0为平面轨迹机构不等式约束的失效概率。传动角约束条件、曲柄存在约束条件与第四章可靠性优化模型相同。
设计变量L边界约束条件为:则最后得到稳健性优化模型为：实例分析算出稳健性优化的最优解：（1）根据表可知：确定性优化的成本函数值为4.8552，考虑尺寸公差稳健性优化成本函数值为：4.4783，比原始成本误差函数下降了7.76%，考虑运动副间隙稳健性优化成本函数值为：4.5162比原始成本下降了6.92%，证明稳健性优化降低了成本函数。
（2）根据图可知，稳健性优化各点的失效概率均小于pf7103，均满足可靠度要求。目标函数为制造成本的稳健性优化是在满足可靠度要求的前提下，使机构具有较经济的制造成本。
本章总结
本章对平面轨迹机构进行了稳健性综合，稳健性综合不仅满足机构可靠性要求，也可以极小设计变量对机构可靠性的影响。本章主要研究了二种模型，第一种模型是以机构运动误差均值及方差最小的稳健性综合，第二种模型是以制造成本最小的稳健性综合：
（1）研究基于机构运动均值及其方差最小的稳健性优化相比确定性优化，不但误差均值变小，误差的波动方差也变小，则表明稳健性优化的机构运动输出更趋近于机构理想运动轨迹，且误差变动较小。
（2）以制造成本为目标函数的稳健性优化可以分配整个机构的尺寸公差取值，稳健性优化的失效概率均满足设计要求，使其在满足可靠性要求下，具有经济的制造成本。
结论与展望：
结论：（1）本文基于多失效模式提出可靠性分析模型，并与蒙特卡洛方法相比较，证明这种建模方法是可行的，采用截尾降维法研究含运动副间隙平面轨迹机构可靠性，经过实例验证也是有效的。（2）可靠性优化相比确定性优化结果不但机构输出误差变小，且可靠性优化满足机构运动可靠度要求，因此，可靠性优化可以对于机构运动输出误差进行概率意义上的解释和阐述。（3）以机构运动精度为目标函数的稳健性优化相比确定性优化而言，不但机构运动输出误差变小，机构运动误差方差也变小，更能表征机构运动的稳定性。（4）尺寸公差和制造成本是对反函数，尺寸公差越小，制造成本越高，为了降低成本，我们可以增大尺寸公差，但是随着尺寸公差增大，机构运动输出精度降低，因此在考虑制造成本同时，必须满足机构运动可靠性，对于工程中生产零件有指导作用
不足之处就是：(1)没有考虑弹性变形对机构运动的影响程度。(2)下一步开展平面轨迹机构动态可靠度研究。
最后谢谢各位评审老师，不足之处请批评指正。
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