电子科大汪忠来教授团队：基于RMQGS-APS-Kriging的主动学习结构可靠性分析方法丨JME文章推荐

引用论文

智鹏鹏, 汪忠来, 李永华, 田宗睿. 基于RMQGS-APS-Kriging的主动学习结构可靠性分析方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(16): 420-429.

ZHI Pengpeng, WANG Zhonglai, LI Yonghua, TIAN Zongrui. RMQGS-APS-Kriging-based Active Learning Structural Reliability Analysis Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(16): 420-429.

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仿生扑翼飞行器飞行视频

结构可靠性分析的目的是为了度量结构在不确定性因素，如尺寸、载荷、振动及加速度等随机波动下各性能指标的可靠状态。其中，结构性能函数的构建及可靠性指标的求解效率是工程应用中关注的重点。实际工程中，随机变量与性能指标间的映射关系很难用解析的物理方程显式表达，即所谓的黑箱函数。对于具有黑箱函数的可靠性分析问题，通常采用调用有限元模型和蒙特卡洛抽样的方式进行计算，该方法虽然能够获得较为满意的分析结果，但计算耗时较长，效率偏低，难以广泛应用。为兼顾具有黑箱问题的机械产品结构可靠性分析精度和效率，电子科技大学的汪忠来教授团队提出了一种基于随机移动四边形网格抽样和交替加点策略的Kriging(RMQGS-APS-Kriging)主动学习结构可靠性分析方法。

该项成果以题为《基于RMQGS-APS-Kriging的主动学习结构可靠性分析方法》刊载于《机械工程学报》2022年16期。

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重要结论

（1）基于传统网格抽样，提出RMQGS方法，避免样本点落在边界分布上，增强网格抽样的随机性，提高了初始样本点的质量；

（2）基于主动学习U函数和IEI函数，提出限定域下的交替加点策略，该策略能够以较少的性能函数调用次数得到高精度的优化Kriging代理模型，显著提高了模型的构建效率；

（3）数值和工程算例应用表明，本文所提方法在处理黑箱问题时，能够同时兼顾性能函数拟合的局部和全局特性；在可靠性工程应用时，能够在兼顾计算效率和精度的条件下，实现对工程问题的高效求解。

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前景与应用

该方法可应用于机械工程、土木工程、航空航天等领域复杂装备的结构可靠度分析和预计，对相关领域可靠性分析方法的拓展具有一定的借鉴价值。

主创简介

汪忠来(通信作者)，博士，教授，博士生导师，四川省学术和技术带头人，四川省杰出青年科技人才，电子科技大学“百人计划”学者，四川省通用航空器维修工程技术研究中心学术委员会副主任、安阳市先进航空材料与加工技术重点实验室学术委员会主任，长期从事诸如工业机器人、数控机床、航空发动机及航天器机构等复杂技术装备的可靠性分析与设计、数字孪生技术及仿生微型扑翼飞行器自主研发方面的工作，主持包括国家重点研发计划课题、国家自然科学基金以及四川省杰出科技人才项目（四川省杰青）等科研项目20余项；在本领域Comput. Method Appl. M.、Struct. Multidiscip. O.、ASME J. Mech. Design、Reliab. Eng. Syst. Safe.等国际顶级或著名期刊上发表学术论文70余篇，CRC出版社英文专著2章节，成果受到美国工程院院士、加拿大工程院院士、中国工程院院士、IEEE Fellow、ASME Fellow等著名学者的众多引用和正面评价以及Advances in Engineering的专门报道，连续6年入选“中国高被引学者榜单（Most Cited Chinese Researchers）”；以第一或科研骨干获国防科技进步二等奖、教育部自然学科二等奖、仪器仪表学会科技进步奖、发明创新.创业奖二等奖、中国产学研合作创新奖（个人奖）、国防科技进步三等奖等科研奖励；申请国家发明专利20余项，授权发明专利13项；受邀在本领域国际和国内重要学术会议上做大会邀请报告7次。

智鹏鹏(第一作者)，博士，博士后，助理研究员，长期从事结构/机构分析与优化相结合的可靠性技术及先进设计理论的相关研究工作，入选Altair2020青年才俊支持计划，主持四川省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金，作为核心成员参与国家自然科学基金面上项目、大连市重点学科重大课题、企业委托科技项目等纵/横向科研项目30余项。相关研究成果在Eng. Fail. Anal.、Adv. Matter. Sci. Eng、Proc. Inst. Civ. Eng.-Forensic Eng.、Int. J. Struct. Integrity、Fract. Struct. Integrity、Int. J. Performab. Eng.、中国机械工程、中国铁道科学等上发表论文30余篇。研究成果荣获IJSI Top Cited Paper in the Last 3 Years、英国Emerald出版社2021年度最高奖Literati Awards for Excellence“Outstanding Paper”、2021年度中国仪器仪表学会科学技术进步二等奖、中国运筹学学会可靠性分会2019年年会优秀论文奖。相关成果授权发明专利3项，软件著作权3项。

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课题组在研/完成项目

[1]中华人民共和国科学技术部，国家重点研发计划课题：考虑认知不确定性的工业机器人可靠性指标分配与预测技术，2017-11至2021-06.

[2]中华人民共和国科学技术部，重点研发计划子课题：基于多源层次信息的工业机器人可靠性分析与设计，2017-11至2021-06.

[3]四川省科学技术厅，四川省杰出青年科技人才项目：融合传感信息的下肢外骨骼机构寿命周期可靠性优化设计，2020-01至2022-12.

[4]四川省科学技术厅，四川省自然科学基金：不完备信息下的仿生微型扑翼飞行器优化设计方法研究，2022-01至2023-12.

[5]四川省科学技术厅，四川省苗子工程项目：微型扑翼飞行器多学科融合设计，2020-01至2022-12.

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课题组研究成果简介

理论成果

针对诸如工业机器人、下肢外骨骼机器人、仿生微型扑翼飞行器、航空发动机及航天机构等复杂技术装备的可靠性与健康管理，ADG课题组开展了大量创新性研究工作，构建了复杂机理量化-高置信建模-高效率评估-高性能优化”体系，创新性提出了复杂因素下微观-宏观-失效的机理量化技术、失效关联下的健康状态高置信建模方法、不同模型复杂度下的高效健康状态评估方法及服役周期可靠性高效与高置信设计技术，促进了1个“机理量化问题（复杂机理动态量化）”和3个“难以兼具的矛盾（失效关联性与评估置信度的矛盾、模型复杂度与评估效率的矛盾以及可靠性提升与资源消耗的矛盾）”的有效解决，为复杂技术装备的可靠性提升奠定了坚实的理论基础和技术支撑。

装备研发成果

ADG课题组在机构可靠性分析与设计的基础上，自主研发了多款仿生微型扑翼飞行器，主要分为三类：有尾样机、微型有尾样机、无尾样机。有尾样机，如图1(a)所示：总重量约17克，机身总长约15厘米，翼展约22厘米，最高扑翼频率20Hz。微型有尾样机，如图1(b)所示：总重量9.8克，机身总长10厘米，翼展15厘米，最高扑翼频率30Hz。无尾样机，如图1(c)所示：总重量约29克，机身总长约12厘米，翼展约18厘米，翅根9厘米，最高扑翼频率17Hz。微型有尾样机配置微型无线遥控系统，实现低空遥控飞行；有尾样机与无尾样机配置飞控系统、无线遥控系统、机载状态传感系统，其中无尾样机配备全球定位系统，具备远程遥控、飞行状态采集、无线图传等功能。所研发的飞行器均具备飞行能力，有尾样机最大续航约10分钟，无尾FWMAV最大续航约5分钟，微型有尾样机续航约3分钟。经风洞实验测试，在有风环境中，柔性翅翼扑动最大可提供约30克负载。

(a)有尾样机

(b) 微型有尾样机

(c) 无尾样机

图1 复翼FWMAV样机装备

(a) 常规实验

(b) 风洞实验

(c) 低空飞行

(d) 高空飞行

图2 FWMAV样机的气动实验、风洞实验和飞行实验

作 者：智鹏鹏

责任编辑：李 娜

责任校对：金 程

审 核：张 强

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