（机械设计及理论专业论文）旋转式立体车库结构机构可靠性灵敏度分析研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 旋转式立体车库的可靠性关系到人及车辆的安全，分别考虑载车台水平主梁结构 强度、刚度以及防摆机构运动位置精度的失效模式，建立载车台水平主梁结构强度、 刚度以及防摆机构的可靠性分析模型，对旋转式立体车库的结构、机构进行可靠性及 可靠性灵敏度分析，最后得到关于载车台水平主梁结构强度、刚度以及防摆机构的设 计参数的改变对其可靠性影响的评价，这个评价可以充分反映各设计参数对立体车库 结构、机构失效影响的敏感程度，从而为旋转式立体车库的结构、机构优化再设计提 供合理和可靠的理论依据。 首先，针对载车台水平主梁结构强度以及刚度失效模式，基于应力一强度干涉理 论，构建了水平主梁结构强度、刚度的可靠性分析模型，建立了由结构力学的基本变 量如挠度、弹性模量、单元的几何参数等显示的水平主梁结构强度、刚度的极限状态 函数表达式。在大样本数据统计基础上，考虑到基本随机变量的分布参数的特性，将 基本随机变量的分布类型分为正态分布与任意分布两种情况；在小样本数据统计基础 上，引入鞍点逼近理论，针对不同情况予以不同考虑。然后分别对水平主梁结构的强 度和刚度进行可靠性及可靠性灵敏度分析。最后得到了影响水平主梁结构强度、刚度 失效的敏感参数，因此可以在载车台水平主梁结构的优化设计中严格控制敏感参数， 以提高水平主梁结构的可靠性程度。 其次，针对旋转式立体车库的平衡机构防摆机构进行可靠性及可靠性灵敏度 分析。根据防摆机构的运动特性构建了防摆机构的可靠性分析模型，将机构运动位置 误差理论与可靠性分析理论相结合，对防摆机构的输出构件的运动位置精度进行可靠 性及可靠性灵敏度分析，分别研究了组成防摆机构的各构件的均值变化以及输入角度 变化对输出构件运动位置精度的影响，得到了影响防摆机构的运动精度的敏感参数， 从而可以根据防摆机构的运动精度可靠性分析结果对其进行可靠性灵敏度设计，提高 旋转式立体车库防摆机构的可靠性水平。 最后，对载车台水平主梁的强度、刚度以及防摆机构进行可靠性数值仿真模拟。 将m 0 n t c - c 训。法与m a l “心软件结合，基于m o n t e - c a d o 法的直接抽样原理，在大 量样本随机抽样的基础上对载车台水平主梁结构强度、刚度以及防摆机构进行可靠性 数值模拟仿真，并且将模拟结果与可靠性及可靠性灵敏度分析数值结果进行精度对比， 山东建筑大学硕士学位论文 验证了可靠性灵敏度分析结果的有效性。利用m a t l a b 中功能强大的矩阵计算以及图 像输出程序，得到了旋转式立体车库的结构、机构可靠性分析图形，较为直观地显示 了载车台水平主梁结构强度、刚度和防摆机构的输出构件位置精度中基本随机变量的 变化对其失效概率的影响，得出水平主梁长度和抗弯截面系数对水平主梁结构强度的 失效概率影响较大；水平主梁长度和冷弯矩空心型钢截面尺寸对水平主梁结构刚度的 失效概率影响较大；而防摆机构各构件长度对防摆机构的输出构件运动精度的失效概 率影响程度相似。 在旋转式立体车库的优化设计中可以根据可靠性及可靠性灵敏度分析的数值计算 以及可靠性模拟仿真结果对载车台水平主梁结构和防摆机构进行可靠性灵敏度设计， 提高旋转式立体车库的可靠性程度。 关键词：旋转式立体车库，可靠性分析，灵敏度设计，结构可靠性，机构可靠性 i i 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns t r u c t u r ea n di n s t i t u t i o n sr e l i a b i l i 够s e n s i t i v i 锣 a n a l y s i sf o rr o t a t i n gs t e r e og a r a g e g u on 锄( m e c h a i l i c a la n de 1 e c t r o n i ce n 西n e 谢n g ) d i r e c t e db yz h a n gr u i j u n a b s t r a c t t h er c l i a b i l i t yo fr o t a t i n gs t e r e og a r a g ei sr e l a t e dt ot h es a f e t yo fp e r s o n sa n dv e h i c l e s ， r e s p e c t i v c l yc o n s i d 嘶n gf a i l u r em o d e si n c l u d i n gm es t m c t l l r a ls t l i e i l g m a n ds t i 航e s so f l o a d i n gp l a t f o 彻m a i nb e 锄，a i l dt l l em o v 锄e n tp o s i t i o na c c l l r a c yo fp r e v 锄ts w i n 西n g i n s t i t i m o n s t h er e l i a b i l i t ym o d e l so ft h es t m c t u r ea n di n s t i t l l t i o n sw a se s t a b l i s h e da r l dt l l e i l 趾a l y z i n gr e l i a b i l 埘a i l dr c l i a b i l i t ys 饥s i t i v i t y 尉n a l l yg o ta i le v a l u a t i o no fm ec h a i l g e st o d c t e n n i n et 1 1 ed e s i 朗p a r a m e t e r so fr o t a t i n gs t e r e og a r a g es 讯l c t u _ r e sa n di n s t i t i l t i o n s ，如l l y r e n e c t i n gt l l es s i t i v i t ) ，d e 黟c et ot h ei m p a c tf o rt h ed e s i 盟p a r 锄e t i 毒r so fr o t a t i n gs t g a r a g es 伽l c t u r ea n di n s t i t l l t i o n s ：p r o v i d i n gr e a s o n a b l ea i l dr e l i a b l e 协e o r e t i c a lb a s i sf o r 廿l e s 乜c t u r e 锄di n s t i t u t i o n so ft l l er o t a t i n gs t e r e og a r a g et oo p t i m i z a t i o nd e s i g n f i r s t ，b 硒c do nt h es 仃e s s s 胁g t l li n t e r 衙c 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h er e l i a b i l i t y 锄dr e l i a b i l i t ) ，s e n s i t i v i 够w i md i f l 萌e 1 1 tc o n s i d 谢n gt od i 脓e n ts i t u a t i o n s f i n a l l yt h em a i n f a c t o r st 0m em a i nb e 锄s t m c t u 枷s 咖g t ha n ds t i 肺e s sf a i l u r ew e r e9 0 tt t 哟u 曲m e r e l i a b i l 时觚dr c l i a b i l i t ys e i l s i t i v i t ya i l a l y s i s c o n t r o l l i n gs c l l s i t i v ep 娥吼c t e r ss t r i c t l yi nt h e s t n l 咖r eo p t i m i z a t i o nd e s i 印r a i s i n gt 1 1 er e l i a b i l i t yl c v e lo f1 c v e lm a i nb e 锄 s e c o n d ，e s t a b l i s h i n gm er e l i a b i l i t ) ，a i l a l y s i sm o d e lo f m ep r e v e n ts w i n 西n gi n s t i t u t i o i l s 嬲也eb a l a l l c i n gm e c h 锄i s mf o rr o t a t i n gs t 蹦的g a r a g eb a s e do nt l l em o t i o nc h a r a c t 丽s t i c s i l i 山东建筑大学硕士学位论文 c o m b i n i n gt h ek i n e m 撕cp o s i t i o ne r r o rt l l e o r ) ra n dr e l i a b i l i t ) ，t h e o r y a n a l y z i n gt h eo u t p u t c o m p o n 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机械式立体车库存取车所用时间较长，实用性较差。那么利用空地广场，设计满足用 户需求并且外观与周围环境协调、经济实用的立体车库是立体停车设备发展的需要。 由t r i z 研究所设计研发的双环嵌套旋转式立体车库不仅外观视觉效果好，而且占 地面积小、存取车时间短、运行效率高，可以大幅地增加停车数目，能够较好地解决 土地资源不足和“停车难之间的矛盾，具有很大的经济效益和社会效益。因此该类 型旋转式立体车库具有比较广阔的应用前景。该类型旋转式立体车库效果图见图1 1 ， 仿真性模型样机结构主体装配图见图1 2 。目前该旋转式立体车库已完成了初步设计， 还未j 下式投入使用，那么如何提高其安全可靠性并优化其结构、机构是现在研发的难 点问题。 山东建筑大学硕士学位论文 獭 蝴 图1 1 双环嵌套旋转式立体车库效果图 图1 2 结构仿真性模型样机主体装配图 在传统的机械产品设计中，一般使用基于安全系数和安全倍率为标准的设计【2 】，但 这些设计把影响机械结构、机构响应状态的基本设计变量，例如几何尺寸、材料特性、 载荷和环境等因素，在机械结构、机构设计中处理成确定性的单值变量，即这种设计 方法是一种基于确定性的经验式设计方法。大多数研发者的在机械产品设计过程中往 往是在自己以往的设计经验的基础上，以通过长期的设计实践形成的设计手册为依据， 通过验证公式，类比系数或者类比等方法进行机械结构、机构的设计。这种经验式机 械产品设计方法应用了安全系数来定义产品的安全与失效状态，认为只要当某一个根 据实际使用经验规定的数值小于安全系数时，产品就是安全的。但这种经验式确定性 设计方法不能列出所设计产品的可靠性程度或失效概率，而且如果要对设计产品进行 改进，则需要通过大量试验花费大量时间的证明之后，才能发现影响机械产品失效的 主要因素。 虽然基于确定性分析的设计理论并没有否认客观事物的不确定性，但对于采用安 山东建筑大学硕士学位论文 全系数进行产品设计的方法则存在一定的不确定性。从安全系数概念来讲，其本身就 包含了一些无法定量表示的影响因素，因此安全系数实质就是一个“未知”的系数。 因此在具体设计时，安全系数究竟取多大，在很大程度上是由设计者的经验决定的。 设计者首先是凭借以往设计经验，通过经验公式或类比分析方法确定设计方案，因此 设计者个人经验的差异性也会导致设计结果的不同：当设计偏于保守时，机械产品可 靠性程度较高，但造成的结果一般是结构几何尺寸过大且重量增加，导致成本增加； 反之则会造成产品的失效概率增加。而且在实际工程中，由于在机械产品的加工制造、 安装、使用等环节，都存在大量的不可控制或者不可预测的因素，从而造成影响机械 工作状念的诸多设计变量存在着一定的不确定性( 这些不确定性主要表现为随机性) ， 所以，同一类型的结构或机构在同一种工况下会体现出不同的响应状态，包括应力、 变形以及频率的不同等。因此，在机械产品的结构、机构设计中，考虑随机因素的影 响，将设计变量处理成服从一定分布的随机变量，依据概率论和数理统计理论采用随 机分析方法对设计变量进行描述和运算，对机械结构、机构的不确定性研究的可靠性 设计符合设计需求。 可靠性设计方法是以概率论和数理统计理论为基础，考虑了机械产品零部件的结 构尺寸、材料性能和环境等影响机械产品零部件失效因素的随机性，通过概率论统计 方法推导得到设计参数和公式，并将这些设计参数和公式应用到机械产品的设计中， 因此，以可靠性分析为基础的可靠性设计成为机械产品设计的主流。 可靠性灵敏度的定义是基本随机变量分布参数的变化引起失效概率变化的比率【3 】。 在机械产品的可靠性分析及设计中，由于不同的设计参数对机械结构、机构可靠性的 影响性质及程度不同，就需要确定各设计参数对机械结构、机构可靠性的影响性质及 程度，得到产品的失效概率( 或可靠度) ，然后控制影响产品失效的主要因素，从而适 当的调整相关设计参数，将机械产品的失效概率控制在个可以接受的范围，这样就 能对机械产品进行与客观实际需求符合的更好的优化设计，所以说可靠性及可靠性灵 敏度分析是提高机械产品安全可靠性，节约产品成本的关键问题。因此，对旋转式立 体车库的结构、机构基本设计参数进行可靠性及可靠性灵敏度分析，可以为该类型旋 转式立体车库的优化及改进提供理论依据，有利于降低成本并提高旋转式立体车库的 可靠性程度。 1 2 可靠性研究现状及进展 山东建筑大学硕士学位论文 结构、机构的可靠性定义为：在规定的时间内和规定的条件下，结构、机构完成 规定功能的能力；结构、机构可靠度的定义为：在规定的时间内和规定的条件下，结 构、机构完成规定功能的概率【j 1 。在实际工程中，由于工程材料特性的离散性以及测量、 加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的设计参数具有固有的不确定性， 因此，考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要【4 1 。由结构、机构可靠性定义可 以看出可靠性是机械产品的基本属性，是衡量产品质量的重要指标，随着现代科学技 术的发展和对产品质量要求的提高，可靠性的研究对现代设计、制造和应用技术的发 展具有深远的影响。 很早以来人们就广泛采用“可靠性 这一概念来定性地评价机械产品的质量问题， 但并没有一个定量的标准来衡量产品究竟是可靠还是不可靠；直到2 0 世纪初期，概率 论及数理统计学在结构安全度分析中的应用，才标志着结构可靠性理论研究的初步开 始。可靠性技术在结构工程设计中的应用则始于上世纪4 0 年代，美国学者 a m f r e u d 即t 1 1 a l 于1 9 4 7 年在文献【5 中提出将可靠性理论用于绪构工程领域，基于传 统设计法中的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系建立了结构可靠性分析的理想 数学模型，即应力一强度干涉模型，这标志着概率可靠性模型的初步建立。 在机械结构可靠性分析中，从可靠度的研究对象看，结构可靠度计算方法可以分 为结构点可靠度计算方法和结构系统可靠度计算方法，到目前为止，相对于结构系统 可靠度的研究，结构点可靠度的计算方法已经比较成熟。文献 6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 】阐述了 可靠性及可靠性灵敏度分析中的一次二阶矩法以及以一次二阶矩法为基础的现代可靠 性分析理论；文献 1 1 ，1 2 】考虑了失效模式分为单失效模式和多失效模式的两种情况， 提出了可靠性分析中计算这两种失效模式的近似解析算法；文献 1 3 】在广义随机变量的 空间上考虑了基本随机变量的彼此相关性，扩大了结构点可靠度计算方法的适用范围； 文献 1 4 ，1 5 研究了可以提高结构点可靠度计算精度的高次高阶矩算法。对于工程中比 较常见的隐式功能函数的可靠性分析情况，很难应用显示极限状态方程的失效概率计 算方法，因此众多学者提出了很多解决隐式极限状态方程的可靠性分析方法，譬如文 献 1 6 ，1 7 ，1 8 提到的响应面法，文献 1 9 ，2 0 ，2 1 】提到的神经网络法等；文献 2 2 研 究了在原始空间内非正态随机变量的可靠性分析方法，适合于基本随机变量的概率密 度函数为隐式表达式时的结构点可靠度计算情形；文献【2 3 对机械结构可靠性理论的研 究工作进行了简要叙述；文献 4 ，2 4 ，2 5 则评述了机械可靠性理论研究应用的发展与 山东建筑大学硕士学位论文 现状。 在考虑随机可靠性模型的基础上，许多学者认识到这种模型在很多情况下，有些 结构或元件的“完好 与“失效”之间的界限并不清晰，以及概率假设在小子样问题 中并不成立【2 6 1 。因此，在结构可靠性理论中引入模糊性的概念可以弥补描述小子样问 题时概率假设不成立的缺陷，即在描述小子样问题时同时考虑不确定因素中随机性和 模糊性，那么这种广义可靠性也称为随机模糊可靠性。从8 0 年代中后期开始，国内外 众多学者为如何将模糊性引入到可靠性分析中作了大量的探索【2 7 】。文献【2 8 ，2 9 中将模 糊性理论引入到可靠性分析中，研究了模糊性可靠性分析技术，文献 3 0 、3 1 、3 2 】应用 数学方法中的模糊算法发展了随机、模糊混合可靠性模型，扩大了机械可靠性分析的 范围，文献 3 3 】定义了结构广义失效模型，研究了各设计参数的随机和模糊性不确定因 素对模型失效概率的影响。 当我们掌握的统计数据比较充分并且具有较精确的计算模型时，概率可靠性模型 是一种非常理想的结构安全评定模型【2 3 1 ，而在实际工程中，对于一些大型复杂结构， 我们并不能得到较充分的统计数据和较精确的计算模型，因此，学者们发展了非概率 可靠性分析模型【3 4 1 ，这种模型是概率可靠性和模糊可靠性的有益补充，采用了凸集集 合对不确定信息进行描述，利用分析得到的输出参数变化范围与工程要求的变化范围 比较便可以得到可靠度指标；文献【3 5 ，3 6 在用区间表示设计参数不确定性的基础上， 提出了非概率可靠度指标的计算方法。 在结构系统可靠性分析领域，ah sa n g 等人于1 9 7 5 年对c o m e l ，a n g 和a m i n 提出的l 阶窄可靠度上下界理论【3 7 t3 8 】进行了修正，被称为概率网络评估技术，即p n e t 法。针对在机械结构系统中，失效模式之间存在的相关系数对可靠性分析造成的影响， od i t l e v s 提出了二阶窄可靠度上下界理论【 】。随后产生的既可用于串联体系又可用 于并联体系，并且精度较高的f o m n 法f 删得到广泛的应用。针对具有隐式极限状态方 程的结构系统，文献 4 1 】提出了一种高精度的响应面法，可以得到较高精度相当高的失 效概率：文献 4 2 】则建立了一种基于样本筛选的神经网络可靠性分析方法，通过选择近 似极限状态方程提高可靠性分析的精度；文献 4 3 】提出了评价机械结构系统可靠性程度 的标准，为机械结构系统的可靠性分析及设计提供了理论依据。总之，- 机械结构体系 的可靠度计算方法一般可以分为两类【删：点估计法和区间估计法。其中点估计法可以 求出机械结构体系失效概率的具体值，常用的点估计法有三种，分别为直接数值积分 山东建筑大学硕士学位论文 法、近似数值计算法和m o n t e c 砌。法；区间估计法主要是利用概率论和数理统计给出 机械结构体系失效概率的上下限，常用的区间估计法有两种，分别为一股界限法和窄 界限法。 可靠性设计中针对结构静强度的可靠性分析已经发展的较为完善，而在实际机械 结构中，由于失效模式具有多样性，如具有疲劳失效、磨损失效以及失稳失效等，因 此学者们也对其他失效模式的可靠性问题给予了关注。随机结构振动系统包括许多随 机参数，比静态随机结构系统要复杂的多，因此对于随机结构振动系统的可靠性研究 还处于初级阶段。文献 4 5 】提出了具有随机参数的线性振动系统，并且对其可靠性问题 进行了研究，发展了动态随机结构的可靠性理论的研究。文献【4 6 ，4 7 ，4 8 ，4 9 ，5 0 ，5 l ， 5 2 ，5 3 ，5 4 】在随机参数的联合概率密度函数未知的情况下，通过应用四阶矩技术、 e d g e w o r t h 级数和不完全概率信息分析技术，在一般随机有限元分析方法的基础上，提 出了具有相关失效模式的非线性动态随机结构系统可靠性分析的方祛，解决了具有随 机参数的非线性振动系统的可靠性分析问题。 与结构可靠性相比，机构可靠性的研究起步较晚。从上世纪七十年代末期才开始 研究，到八十年代才有了些基础，至九十年代取得了一些成果。到目前为止，在机械 机构可靠性研究上发表的论文相对较少。冯元生以及张义民等人对机械机构可靠性若 干方面的研究文章较多。文献 5 5 ，5 6 】提出了机构磨损可靠性的安全余量方程和机械机 构可靠性分析方法，概述了机构可靠性的重要理论；文献 5 7 ，5 8 】提出了机构死点卡住 可靠性分析方法；文献 5 9 】在概率分析的基础上，引入机构运动精度可靠性的概念，最 后提出了机构运动精度可靠性分析的随机过程和随机变量方法：文献【6 0 中提出了机械 结构、机构的可靠性分析的解析法和数值解法，可以用来分析结构、机构多因素失效 的可靠性问题；文献 6 l 】通过考虑弹性连杆机构的安全、失效状态的模糊性建立了广义 可靠性分析模型，并且通过应用改进的响应面法提高了弹性连杆机构的可靠性计算精 度以及抽样效率；文献【6 2 】对机构可靠性分析方法进行了较系统的研究；文献【6 3 】将疲 劳应力谱引入到疲劳强度和机构有限寿命的设计思想中，可以提高高速弹性机构的设 计水平；针对随机变量服从任意分布的平面连杆机构，如果已知基本随机变量的前4 阶矩，文献 6 4 则应用e d g e w o r m 级数和摄动法对的该平面连杆机构进行可靠性设计； 文献【6 5 】讨论了平面连杆机构的运动精度可靠性灵敏度设计问题；针对含间隙的平面机 构，文献【6 6 通过结合力学中的虚位移原理、误差分析理论和可靠性优化技术，提出了 山东建筑大学硕士学位论文 一种机构输出端位姿误差的可靠度计算方法；文献 6 7 】在分析平面连杆机构构件的长度 误差和运动副概率精度分析的基础上，对平面连杆机构进行了机构可靠性优化设计。 总之，作为重要的技术指标和产品质量的主要指标，可靠性在工程界越来越受到 重视。众所周知，设计、制造和使用是现代机械产品重要的三个阶段，第一阶段的设 计决定了产品的固有可靠性，随后的制造和使用则是产品可靠度指标实现的保证。换 句话说，可靠性与产品的其他性能一样，都必须在产品的设计过程中予以充分考虑， 制造和使用管理则保证了产品可靠性的实现。因此，可靠性设计是现代设计和分析研 究的重要课题之一。 1 3 可靠性灵敏度研究现状及进展 一般来讲，概率灵敏度( p r o b a b i l i s t i cs e n s i t i v 时) 是指基本随机变量的不确定性对 模型输出响应的不确定性的影响程度【6 引。可靠性灵敏度分析在工程设计领域有很多方 面的应用，例如可以考察基本随机变量的概率分布的变化对机械结构、机构可靠性模 型输出参数的影响以及- 对可靠性模型稳定性的影响；通过求解影响机械结构、机构失 效概率的重要因素，可以减少可靠性设计问题中的随机变量空间的维数；可靠性灵敏 度分析还可以通过减少机械结构、机构基本随机变量的不确定性程度来考察对可靠性 模型概率输出响应的改进程度等。 由于可靠性灵敏度分析具有较强的实用性，许多学者对可靠性灵敏度方法进行了 深入的研究，提出了许多有效的可靠性灵敏度分析方法，并且将这些方法应用在实际 的机械结构、机构的可靠性设计中。h o h e i l b i c h l e rm 和r a c k 谢t zr 【6 9 】最早提出了基本 随机变量的可靠性灵敏度研究：k a r a m c h a i l d a n i 【7 0 】等提出了基于改进的一次二阶矩法的 可靠性灵敏度分析方法；宋军7 1 】等人在功能函数矩估计的失效概率计算的基础上，提 出了一种新的可靠性灵敏度分析方法，提高了可靠性灵敏度分析方法的精度：张义民【7 2 】 提出了最大可能点摄动法，分析了相关系数在可靠性可靠性灵敏度分析中引起的误差； l a t a i l l a d ead 和m e l c h e r sre 【7 3 7 4 】对m o n t 争c 砌。算法的参数灵敏度分析方法进行探 讨；m i l l w a t c rhr 【7 5 】等人提出了一种基于自适应抽样法的可靠性灵敏度分析方法，可 以有效地减少可靠性数值模拟的计算次数，提高了可靠性灵敏度的计算效率。总之， 可靠性灵敏度的分析方法是建立在可靠性分析方法基础上的【3 1 ，一般来说，除了比较特 殊的情况外，可靠性分析方法经过发展，可以建立相应的可靠性灵敏度分析方法。较 山东建筑大学硕士学位论文 常用的可靠性灵敏度分析方法包括：改进的一次二阶矩法，蒙特卡罗线性近似法，蒙 特卡罗积分法和有限差分法等。 在机械产品的设计中，为了能够在不增加设计、制造、使用以及维护成本的基础 上提高所设计产品的安全可靠度，可以利用可靠性及可靠性灵敏度分析技术对该产品 进行可靠性设计及可靠性灵敏度设计，这种设计方法也可以看作可靠性优化设计方法。 在概率论、数理统计理论以及优化设计的基础上对机械结构、机构的某些特征分命参 数进行的设计是可靠性设计，可靠性灵敏度设计则是在可靠性设计的基础上，确定分 布参数的改变对该结构、机构可靠度的影响。通过对机械结构、机构进行可靠性及可 靠性灵敏度分析，在设计、制造过程中严格控制对机械结构、机构失效概率有较大的 影响的敏感因素，将其控制在较小的变化范围之内以保证机械结构、机构的可靠性程 度；如果某些分布参数的变化对机械结构、机构的的失效概率影响不大，那么可以在 一可靠性设计中将其作为确定值处理以减坐基本随机变量的数目，降低可靠性设计的难 度。因此，对旋转式立体车库进行机械结构、机构可靠性及可靠性灵敏度设计的研究 具有非常重要的意义。 1 4 本文研究的内容及意义 1 4 1 课题研究的主要内容 研究本实验室正在研发的单吊点重力自平衡式立体车库，在数学统计理论和可靠 性技术的基础上，对该类型立体车库的载车台水平主梁结构的强度、刚度以及防摆机 构的运动位置精度进行可靠性及可靠性灵敏度分析，为该类型立体车库的结构、机构 再设计提供参数优化的理论依据，以提高可靠性程度。本论文将进行以下内容的设计 研究： 1 ) 载车台水平主梁结构强度、刚度可靠性及可靠性灵敏度分析 根据载车台水平主梁结构在工作状态下的受力特点，结合适合该结构的可靠性分 析技术，分析载车台水平主梁的强度、刚度失效模式，分别构建水平主梁结构强度、 刚度的可靠性分析模型，建立相应的极限状态函数。将基本随机变量分为大样本统计 数据及小样本统计数据两种情况的假设，在大样本情况下，假设基本随机变量全部服 从相互独立的正态分布，将迭代算法应用到可靠性及可靠性灵敏度分析中，探索到适 合载车台水平主梁结构强度、刚度可靠性及可靠性灵敏度分析的方法：假设基本随机 山东建筑大学硕士学位论文 变量相互独立但不完全服从正态分布的情况，先将非正态分布的基本随机变量“当量 正态化”，然后利用上述方法进行可靠性及可靠性灵敏度分析。在小样本情况下，利用 鞍点逼近估计式的较高精度和尾部拟合程度较高的特点，将鞍点逼近理论与可靠性及 可靠性灵敏度分析技术相结合，得到载车台水平主梁结构强度的累积分布函数和概率 密度函数，进而对其进行可靠性及可靠性灵敏度分析。 2 ) 防摆机构运动位置精度可靠性及可靠性灵敏度分析 为了保证双环嵌套旋转式立体车库在匀速旋转过程中载车台保持水平状态，根据 立体车库的平衡机构防摆机构的运动特点，研究连杆机构的运动数学模型，针对 防摆机构由于组成构件的制造误差及输入角度误差等失效模式引起的功能响应失效模 式，构建了防摆机构输出构件的运动位置精度的可靠性分析模型。首先，分析防摆机 构各构件的几何结构尺寸和输入运动的随机特性对其输出构件运动位置精度可靠性的 影响，建立防摆机构的极限状态函数，继而通过矢量和矩阵运算对防摆机构的运动输 拙位置精度误差分别进行可靠性及可靠性灵敏度分析，最后对立体车库的防摆机构的 结构设计提出改进意见。 3 ) 立体车库结构机构数值模拟仿真 编写和完善该旋转式立体车库结构、机构的可靠性及可靠性灵敏度分析程序，将 可靠性分析中的数值模拟技术m o n t e c 砌。法与m a t l a b 软件结合。由于该旋转式立 体车库正在研发阶段，尚不能得到大量样本统计数据，利用计算机编写程序对旋转式 立体车库载车台水平主梁结构强度、刚度以及防摆机构的运动位置精度进行数值模拟 仿真，并将数值模拟仿真结果与实际计算结果进行对比，验证可靠性及可靠性灵敏度 分析结果的有效性。 4 ) 提出改进内容 提出本次课题有待改进的内容，展望机械结构、机构可靠性及可靠性灵敏度分析 的发展趋势。 1 4 2 课题研究的意义 随着科学技术的发展，人们不断追求性能和可靠性俱佳的机电产品，以适应机械、 电子、航空和工程等领域的要求。这一趋势对于现代设计、制造和应用技术的发展具 有深远的影响。在现代机械结构、机构的设计过程中，只有考虑各个不确定参数对可 靠度的灵敏程度，才能更好地反映机械结构、机构的真实状况，目前可靠性及可靠性 山东建筑大学硕士学位论文 灵敏度设计已成为机械设计、制造业发展的重要方向。由山东建筑大学t r i z 研究所研 制开发的双环嵌套旋转式立体车库可以充分利用有限的空问大幅增加停车数目，解决 汽车停放中存在的由停车面积与停车数量的矛盾导致的成本昂贵的问题，具有极大的 社会和经济效益而备受关注。本研究所丌发的旋转立体车库有着原始独立的创新性， 在该立体车库结构、机构的设计、制造和模型实验制作过程中，未考虑不确定性随机 变量对其系统响应的可靠性影响，本论文将可靠性及i 叮靠性灵敏度分析技术引入到旋 转式立体车库的载车台水平主梁结构的强度、刚度以及防摆机构运动精度中，在优化 再设计过程中可以根据可靠性及可靠性灵敏度分析结果严格控制敏感参数，提高立体 车库的可靠性。对旋转式立体车库的可靠性灵敏度设计的研究，可该类型立体车库产 品开发、设计及生产提供理论基础和重要技术支撑。 山东建筑