臂架是混凝土泵车的关键作业部件和主承载部件,为液压驱动的多关节可变构型细长柔性杆系,承受复杂交变的外界动态载荷,动态载荷引起的动力响应是泵车臂架结构失效的关键原因。自上个世纪70年代泵车发明以来,国内外泵车设计规范在考虑动态载荷对臂架结构的影响时,都采用动载系数法,即臂架水平姿态下,在结构自重载荷和混凝土载荷上乘以相应的动载系数,用静力法来等效代替真正的动力学效应,由于动态载荷的不确定性和泵车臂架多关节结构的不确定性,这种方法并不能准确反映出臂架在实际作业中的安全状况。针对上述问题,现有可靠性研究多基于概率假设,采用抗疲劳设计方法,对泵车样机在实际作业中的动态应力谱进行实验测试采集,拟合扩展动态载荷谱并开展臂架系统的疲劳试验,通过随机过程描述载荷与结构的不确定性,依据试验结果来修改结构设计。此类方法以参数的概率分布函数为前提,要求获得大量的实验数据样本,设计与试验周期长、成本高;不同于概率密度信息,不确定参数取值范围的界定通常则相对容易,所要求的参数样本量也较小。因此,近几十年来,基于非概率及概率方法的不确定性结构分析方法得到了国内外学者越来越多的关注和研究,且在方便性和经济性等方面逐渐体现出一定的优势,有望在以泵车臂架为代表的多关节柔性机械臂可靠性分析中发挥巨大的作用。基于不确定性理论,本文充分考虑泵车臂架结构中的不确定性,对臂架结构中的不确定性因素进行有效度量,并基于此开展臂架的结构可靠性分析。针对泵车多关节臂架结构的姿态不确定性和动态载荷频率不确定性进行建模,并基于混合不确定性分析方法,研究了泵车臂架结构的共振可靠性;以区间过程模型对混凝土流经臂架管道引起的摩擦力进行度量,进而开展非随机振动分析获得了臂架振动的动态响应边界;考虑臂架结构初始裂纹长度和断裂韧性的随机性,开展泵车臂架结构的概率损伤容限分析,对其疲劳可靠性进行预测。所开展和完成的主要工作如下:(1)建立了泵车臂架结构有限元动力学模型与混凝土流动冲击载荷模型,发展了特定构型、特定动态载荷下泵车臂架动态响应的计算方法,并开展实验测试对有限元模型的精度进行了验证。通过多构型的臂架模态实验验证了臂架结构动力学模型的有效性;通过多工况的泵送系统实验获得了较为准确的混凝土流速、泵送频率和换向时间,并据此推导确定了混凝土的流动冲击载荷;通过多档位的臂架动态响应实验验证了泵车臂架动态响应计算的有效性。(2)基于概率-区间混合可靠性分析方法,针对工程机械结构参数的随机性和有界特性,提出了多关节柔性机械臂的振动可靠性分析方法,可对机械臂共振的失效概率进行区间估计。对泵车臂架的结构不确定性和动态载荷不确定性进行了描述,根据臂架和载荷不确定参数的信息完备程度不同,通过概率变量和区间变量对不确定参数进行度量。在泵车臂架可变构型范围空间内建立动力学特性变量关于构型不确定性参量的响应面函数,并基于构型-动力学特性响应面函数及激励载荷情况,建立概率-区间混合的振动可靠性分析模型,采用迭代解耦方法进行了振动可靠性求解。(3)通过引入区间过程描述泵车臂架动态激励的不确定性,发展出一种机械臂架结构非随机振动分析方法,获得了结构动态响应的上下边界信息。在非随机振动分析中,臂架系统由有限元动力学模型描述,避免了复杂的动力学微分方程推导和求解;动态不确定载荷参数由区间过程描述,仅要求获得动态不确定激励的波动上下边界,避免了对大量样本数据的依赖。动态响应上下边界的计算则基于结构单位脉冲响应,并利用卷积积分及区间过程的相关性质获得。(4)以线弹性断裂力学为基础,利用子模型技术对泵车臂架上已存裂纹缺陷及扩展断裂进行仿真分析,从而对其进行裂纹扩展分析并实现损伤容限可靠性预测。对泵车臂架局部危险区域进行了高精度有限元建模,采用全局模型和子模型相结合的方法模拟了臂架的裂纹扩展行为,并预测了相应的裂纹扩展路径及裂纹扩展寿命。