随着航空航天、深海探测、轨道交通等现代工业技术的飞速发展,机械系统日趋大型化、精细化和复杂化。许多工程机械和武器装备的服役环境极其恶劣,加之各种不确定性因素的影响,导致各种故障频发,造成了许多灾难性的事故。良好的可靠性是保证系统发挥其应有功能的基础,然而,为节约成本或满足其它性能要求,还需对其进行轻量化设计,如汽车、高铁、飞机、卫星等。为同时满足高可靠、长寿命以及轻量化设计等要求,可靠性优化设计被越来越多地应用于复杂机械系统。复杂机械系统的可靠性优化设计需要解决几个关键问题:1)多源混合不确定性量化;2)复杂载荷作用下高精度可靠性评估;3)多状态系统可靠性评估;4)高效率的可靠性优化设计。基于传统应力-强度干涉理论建立的可靠性模型不能考虑机械系统在服役过程中载荷的作用历程,再加上机械系统在整个寿命周期内会受到较多不确定性因素的影响,已有的可靠性分析方法不再适用,研究新的动态可靠性分析方法迫在眉睫。因此,本文针对这几个关键问题,分别对复杂载荷下的动态可靠性模型、混合不确定性下的可靠性分析方法、考虑相关性的多态系统模糊可靠性分析方法以及混合不确定性下的可靠性优化设计进行研究,以期对现有的动态可靠性模型及分析方法进行扩展和完善,为机械系统在服役期间内安全可靠运行、预防事故发生和降低成本提供理论基础和信息支撑。本文的主要研究内容和创新成果包括以下几个方面:(1)提出复杂载荷及强度退化下的系统可靠性分析方法。本文考虑机械系统服役过程中冲击载荷、强度退化对其性能的综合影响,研究复杂载荷及强度退化下的系统动态可靠性模型与分析方法,提出考虑强度退化和冲击载荷作用的动态可靠性模型,并基于高斯-勒让德积分公式进行动态可靠度的相关计算,通过与蒙特卡洛仿真法的对比验证所提模型的有效性和精确性。(2)提出基于熵值不变的系统可靠性分析方法。在机械系统的设计过程中,受信息不全、数据不足以及其它不确定性因素的影响,往往较难获得某些变量的分布参数,而将其用模糊变量或区间变量进行描述。对于变量类型单一的模糊系统,其可靠性相关问题相对简单,可用水平截集、随机有限元等方法进行解决。在工程实际中,只存在单一类型变量的情况较少,不同类型变量混合的情况较多,因此,需对多种类型变量混合下的可靠性分析方法进行更深入的研究。本文基于熵理论,提出一种等价转换的方法,将模糊变量转化为正态随机变量,并结合鞍点近似法研究混合不确定性下的系统可靠性分析方法。(3)提出考虑相关性的多态系统模糊可靠性分析方法。随着机械系统的大型化、复杂化及多功能化,某一零部件或子系统的失效通常仅引起系统性能的逐渐下降,而不会导致整个机械系统的失效,使系统性能呈现多态性。另一方面,在工程实际中,由于信息不全、数据不足或条件限制等,致使不能明确系统的性能水平,而仅能给出一个大概的范围。因此,对复杂机械系统的可靠性分析可视为多态系统的模糊可靠性分析。此外,组成系统的各个零部件或子系统之间往往相互关联,基于此,本文在模糊通用生成函数基础之上,引入系统主元件与其它元件间的主从关系,提出考虑相关性的多态系统模糊可靠性分析方法。(4)提出模糊变量和区间变量混合下的可靠性优化设计方法。目前,已有学者对混合不确定性下的可靠性优化设计进行研究,并得到了行之有效的处理方法,但针对模糊变量和区间变量混合下的可靠性优化设计方法研究甚少,尚缺乏有效的处理手段。本文基于熵值不变的等效转换方法,将模糊变量和区间变量混合下的可靠性优化设计转变成随机变量和区间变量混合下的可靠性优化设计,结合最坏情况理论,提出模糊变量和区间变量混合下的可靠性优化设计新方法。