基于随机响应面法的结构可靠度研究

基于Karhunen-Loève正交级数对随机场进行离散,并利用Hermite混沌多项式将结构位移响应量表示成为随机场离散变量的函数,研究建立了结构抽样模拟分析的随机响应面法,进而建立了与结构失效准则相对应的极限状态函数,结合几何法提出了结构可靠度分析的随机响应面法计算格式.分析了二阶、三阶随机响应面的特性,并同可靠度分析的蒙特卡罗法进行了比较,结果表明本文方法具有更好的计算精度和计算效率.     

边坡稳定可靠度替代模型分析

首先对多项式响应面、BP神经网络、径向基函数及支持向量机这4种替代模型的基本理论、适用范围及构造程序进行具体分析;然后,针对BP神经网络、径向基函数及支持向量机这3种替代模型中训练样本不易获取的情况,引入拉丁超立方试验抽取样本数据,并通过相应替代模型构建边坡可靠度求解的稳定极限状态功能函数近似表达式;最后,通过工程实例对各模型的计算工作量及计算精度进行评估。研究结果表明:对于地层结构较简单、随机参数较少的边坡可采用多项式响应面替代模型,而对于地层结构复杂、功能函数具有较强非线性的边坡建议采用支持向量机替代模型,这可为边坡稳定可靠度替代模型的甄选与构建提供重要依据。     

支持向量机近似模型的参数选取及其在结构优化中的应用

针对非线性结构响应预测的支持向量机(SVM)近似模型的参数选取问题,提出了应用粒子群算法进行参数优化,建立了具有最优参数的SVM近似模型,并与以训练集数据建立常规的SVM、二阶响应面(RSM)和径向基神经网络(RBFNN)近似模型进行对比.结果表明:以优化参数建立的SVM近似模型比常规的SVM近似模型有更好的预测能力;可以避免RSM和RBFNN近似模型中的过拟合现象,具有更优的推广能力.最后,将最优参数的SVM近似模型用于船舶结构优化中,取得了具有良好工程实用性的优化结果.     

大跨度斜拉桥结构系统可靠度评估

为实现桥梁结构系统可靠度的快速评估,将响应面法、有限元法、β约界法和条件概率乘积算法等方法各自优点相结合,提出了1种计算结构系统可靠度的近似方法.该近似方法采用响应面法和有限元法构造结构单元的极限状态方程,并计算可靠指标;采用β约界法和条件概率乘积算法建立结构系统,并计算失效概率.应用计算结构系统可靠度的近似方法进行了...     

响应面法在大跨轨道斜拉桥索塔长期变形预测中的应用

为探究大跨径轨道专用斜拉桥索塔长期变形的离散性,以重庆蔡家嘉陵江大桥为工程实例,考虑5个主要结构参数,进行中心复合设计法三水平试验设计,构造不含交叉项的二次多项式响应面模型,将索塔变形与各随机参数之间的复杂隐性关系通过近似的显式函数关系表达出来,运用F检验和修正的决定系数进行响应面模型的显著性和精度检验,采用后退回归进行基函数显著性分析,实现响应面模型的简化.最后,基于Monte Carlo抽样分析,对索塔长期变形进行概率意义上的预测.预测结果表明:确定性方法和不确定性方法计算所得的位移差异由1年的13.22 mm增大到30年的71.62 mm,参数的随机性对斜拉桥索塔塔顶位移的预测结果有较大影响,考虑参数的随机性有助于衔接结构设计状态与施工状态.     

基于响应面模型法的地下综合管廊结构优化方法研究

地下综合管廊是城市地下空间开发的重要方式，为了对地下综合管廊的结构进行优化设计，提出了一种基于响应面模型（Response Surface Model, RSM）的结构优化设计方法.基于有限元模型分析结果，选取适当的结构力学响应作为控制参数.采用拉丁超立方采样（Latin Hypercube Sampling,LHS）和优化拉丁超立方采样（Optimized Latin Hypercube Sampling,OLHS）方法，建立设计参数与结构力学响应之间的响应面模型，并评估了不同采样方法建立的响应面模型的精度.结果表明，采用最小样本点数量4倍的OLHS建立响应面模型能兼顾建模效率与准确性.基于响应面模型建立了考虑配筋等多种条件约束的优化模型，采用非线性规划和遗传算法对优化模型进行了求解，结果表明求解方法不影响优化结果，模型鲁棒性好.优化后结构造价成本下降27.58%，控制截面弯矩分别下降45.10%、45.72%、24.40%.采用有限元方法对优化后结构进行了分析，其二维响应面模型与有限元分析的误差小于14%，采用二维响应面模型替代有限元分析过程是合理有效的.     

增强型径向基函数的分块响应面近似处理方法

采用多项式响应面法、分块响应面法和增强型径向基函数的分块响应面法对3个测试函数进行近似处理,比较它们的均方根误差和相对误差值.结果表明:在样本数量较少时,并未明显地体现出增强型径向基函数的分块响应面法的优势,但是其近似精度不低于前两种方法;当样本点数量比较大时,增强型径向基函数的分块响应面方法的近似精度明显高于分块响应面法和多项式响应面法.     

采用随机响应面法钢筋混凝土框架抗震全局灵敏度分析

采用基于多项式混沌展开的随机响应面方法,建立结构输出响应的代理模型,求得各输入变量的基于方差分析的全局灵敏度指标.之后以层数不同的三个钢筋混凝土框架结构为应用对象,使用Open Sees软件进行有限元建模,并采用该方法对结构进行整体承载能力极限状态下的抗震全局灵敏度分析,将求得的各输入变量的灵敏度指标绘于同一图中,比较不同输入变量对结构响应的影响大小.从求得的全局灵敏度指标可知,影响结构抗震可靠度的主要因素为地震作用的不确定性以及结构的钢筋屈服强度.该结果符合工程经验判断,进一步说明所采用的方法具有较高的可行性和计算精度.     

基于高效差分敏度分析的谐响应形状优化

基于谐响应组合近似重分析方法,提出了近似-差分敏度求解策略.数值算例表明,在结构小扰动下,近似-差分结果具有足够的精度反映敏度信息,并克服了差分敏度求解计算量大的缺点.以结构体积最小为目标,自由度振幅为约束,建立了谐响应下的连续体形状优化模型,实现了结构形状优化设计;通过数值算例对不同结构参数和激励下的优化结果进行了对比分析,结果验证了方法和模型的可行性和有效性.     

基于响应面的液力变矩器叶片优化设计

针对现有变矩器性能分析方法的不足,在液力变矩器三维流场数值模拟的基础上,采用响应面法对叶片进行优化.首先根据变矩器流场模拟结果,并考虑机械损失的影响,计算变矩器效率、变矩比等输出特性;然后以最高效率为优化目标、起动变矩比为约束条件、二阶多项式为响应面函数,采用正交试验法设计试验样本,建立叶片优化模型并进行优化计算.计算...     

基础变形模量不确定条件下拱坝最大有限元等效应力分析

为研究基础变形模量的不确定性对拱坝应力的影响,建立以基础变形模量为设计变量、以坝体应力为目标函数的计算拱坝最大应力的最优化模型;利用均匀试验设计法构造拱坝最大有限元等效应力与基础变形模量之间的二阶多项式响应面。工程实例分析表明,所建立的响应面模型具有较高的精度,当已知基础变形模量变化范围时可以较好地确定拱坝的最大有限元等效应力。     

基于RSM的连续刚构桥预应力损失不确定性分析

针对现行规范计算得到的预应力损失与工程实际存在偏差的问题,考虑施工因素、材料性能和环境条件的随机性对预应力损失的影响,将响应面法引入到预应力损失的预测中.以某特大跨连续刚构桥为工程背景,选择建设期随机误差较为常见的8个主要结构参数,进行Bucher试验设计,构造不含交叉项的二次多项式响应面模型,将预应力损失与各随机参数之间的复杂隐性关系通过显式函数近似地表达出来;基于逐步回归进行基函数的显著性分析与筛选,运用F检验和修正的决定系数进行响应面模型的显著性和精度检验;同时,采用秩相关系数,分析各参数对预应力损失的敏感性;最后,结合Monte Carlo抽样技术,对预应力损失进行概率意义上的预测,得到一定置信概率下的预应力损失区间.     

水下航行器耐压壳体参数化设计优化

为提高水下航行器耐压壳体结构设计效率,研究了基于参数化分析和响应面近似模型的耐压壳体结构优化设计方法.确定某型水下航行器的耐压壳体结构5个尺寸为优化设计变量,应用薄壳理论和CCS规范进行了初步设计并确定了优化变量可行域,采用最优拉丁超立方法(Opt LHD)在可行域空间内确定设计试验样本点,研究了ABAQUS参数化驱动样本点的方法,建立了极限载荷的二阶多项式响应面模型.以极限载荷和壳体质量为优化目标,利用二代非劣排序遗传算法进行耐压壳体的多目标优化求解,得到Pareto最优解集.最终优化结果较初步设计结构极限载荷提高41.68%,壳体质量降低27.26%.参数化方法能够简化优化过程,提高优化效率,为水下航行器结构优化设计提供了借鉴.     

基于近似模型和数值模拟的连杆热锻成形工艺设计优化

提出了基于近似模型和数值模拟的设计优化方法.在利用有限元分析连杆热锻成形过程的基础上,以降低锻件成形过程中变形损伤为目标,以飞边槽形状参数为设计变量,采用响应面法近似模型建立了设计变量与目标函数的初始近似模型.在设计优化过程中,用近似模型代替实际的数值模拟程序,计算锻件内部的损伤值,对连杆热锻成形工艺参数进行了优化计算,取得了较为理想的效果.     

桁架结构的倒变量响应面法研究

介绍了响应面的基本思想,指出了多项式基响应面在拟合精度方面存在的问题.通过分析多项式形式的响应面方程在设计变量的形式上与结构的位移解析解之间的区别,研究了基于倒变量的响应面方法,并结合算例分析验证了该方法建立的静定桁架结构的位移表达式具有很高的精度.分析结果表明,提出的响应面方法能够精确、快速地解决平面和空间桁架位移的显式化问题.     

响应面与强度折减有限元耦合的方法研究边坡可靠度

用响应面法分析复杂结构的可靠性问题时,在不降低计算结果精度的前提下,通过对传统响应面法的样本点选取进行改进,以减少在迭代求解近似响应面过程中所需样本点的个数,达到减少结构分析次数的目的.在此基础上将响应面与强度折减有限元耦合,借用响应面(RSM)思想重构边坡稳定极限状态方程,进行边坡稳定可靠度分析.算例分析表明:响应面与强度折减有限元耦合的方法研究边坡可靠度是有效和准确的,将有着广阔的应用前景.     

基于响应面法的听小骨消声器的优化设计

为了改善听小骨消声器的消声性能,并减轻质量,以消声器低频和宽频的平均传递损失作为优化目标,以消声器的结构参数(进出口管道宽度、封闭腔深度、封闭腔长度)作为优化变量,消声器的质量作为约束条件,对其结构参数进行优化.建立了听小骨消声器的有限元模型,采用中心组合试验设计获得样本点,利用响应面法构造二次多项式响应面模型,并检验了响应面模型的拟合精度.将响应面模型和NSGA-Ⅱ遗传算法相结合对消声器的结构参数进行了优化.优化后消声器低频和宽频的消声性能得到改善,质量减轻,表明了响应面法和遗传算法相结合的消声器结构参数优化方法的有效性.     

一种复杂机械结构的频率可靠性及灵敏度分析方法

针对具有随机参数的复杂机械结构振动的固有频率响应问题,定义了频率可靠性,并在此基础上提出了一种快速有效的可靠性及可靠性灵敏度的计算方法.采用随机响应面模型来拟合结构输入参数和固有频率之间的函数关系,并使用降维积分技术计算随机响应面模型的展开系数,同时使用模型降阶方法来进行结构的重分析计算以节约计算时间.采用改进的一次二阶矩方法进行可靠性分析,可靠性灵敏度的计算采用蒙特卡洛模拟方法.数值算例表明所提方法具有很高的计算效率和合适的精度,适用于复杂结构的频率可靠性分析.     

风暴状态下自升式平台非线性动力分析模型

以风暴状态下的自升式平台为研究对象，建立了用于分析平台结构的非线性动力模型。该模型采用改进的Newwave模型描述随机波浪，借助非线性弹簧模拟平台结构的桩-土之间的相互作用，综合考虑了影响平台结构动力响应的动力敏感性、非线性以及波浪载荷的随机性因素；同时以波面极值出现前后的若干载荷循环作用下的结构响应结果作为对平台结构响应的估计，大大节省了计算时间。建立了简化的三维有限元结构模型。通过具体实例分析，给出了使用该模型进行风暴状态下自升式平台动力响应的计算步骤，并对分别采用非线性弹簧模型和传统的铰接模型时的平台结构动力响应进行了对比。计算结果表明，风暴状态下自升式平台甲板位移响应极值服从对数正态分布。使用该模型进行自升式平台动力响应分析时，能够兼顾模型复杂程度和计算效率，这为今后进行自升式平台结构动力可靠性分析奠定了基础。     

柱塞泵配流结构与流动特性的动态响应关系

以典型的斜盘式轴向柱塞泵为对象,为了降低柱塞泵工作过程中的压力冲击与倒灌回流,利用计算流体动力学方法,对柱塞泵吸排油过程进行动态模拟,可视化地解析了配流盘三角槽结构对冲击与回流特性的影响.针对配流盘局部结构建立参数化模型,借助于计算流体动力学的解析、试验设计、近似模型技术,对柱塞泵动态解析过程进行一体化集成;以2阶响应面函数的形式,表达动态过程中柱塞腔内压力、回流峰值与配流盘三角槽跨度、深度的响应面模型;最后,对三角槽结构参数进行优化设计,为斜盘式轴向柱塞泵降噪型配流盘的设计,提供再设计的理论依据.