基于响应面重构的一种可靠度计算方法

大型复杂结构的可靠度分析中,极限状态方程往往无法显式表达。针对这种情况,文章采用二次多项式函数重构响应面来寻求设计验算点;然后在设计验算点附近,采用BP神经网络重构响应面,拟合极限状态函数;在此基础上,采用基于最优化原理的蒙特卡罗方法求解结构的可靠性指标。与其他单一的响应面重构方法相比,文中方法具有计算简便及精度高的特点;工程计算语言Matlab采用矩阵操作,并提供了包括优化、统计、神经网络在内的大量工具箱,而且语言简单,使得编程效率大大提高,能快速方便地实现可靠度计算程序的编制。     

变f响应面法及其在重力坝结构可靠性分析中的应用

响应面法已经成为求解大型复杂结构可靠度的常用方法,尤其适用于求解结构极限状态方程具有较强的非线性或是在结构分析中引入有限元进行可靠性分析而导致方程呈隐式的问题.针对传统响应面法中中心复合抽样因子f值取值不同导致计算结果波动且精度不高的问题,首次提出在响应面法计算流程中引入"变f"的概念.算例结果表明,本文提出的变f响应面法相比于经典响应面法、加权响应面法以及JC法精度更高,收敛速度更快,且可突破f取值1~3的限制,适用于非线性极限状态方程可靠度的计算.此外,通过变f响应面法与加权响应面结果的对比可知,本文提出的方法精度更高,改变f值的作用可以替代加权响应面法中加权函数的作用.最后,结合某简单的重力坝模型,对于该方法在重力坝抗拉可靠度计算中的应用作了有益的探索.     

变量相关时悬臂桩支护结构可靠性分析

运用优化设计理论,提出了变量相关时结构可靠指标的新的计算方法．该方法将结构可靠指标β的计算转化为在等式约束条件（极限状态方程）下求目标函数（可靠指标表达式）的极小值问题,运用牛顿法迭代求解．作为算例,用该方法对在匀质土中的高层建筑深基坑悬臂桩支护结构进行了可靠性分析．     

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.     

采用增广乘子法和免疫算法的混合可靠性分析

针对传统可靠性优化设计方法在处理实际可靠性工程问题时求解精度不高或无法求解的问题,提出一种采用增广乘子法和免疫算法的混合可靠性分析方法.首先以极限状态方程为约束,以可靠性指标最小为目标函数,建立可靠性优化设计数学模型;然后利用增广乘子法将该有约束可靠性优化设计数学模型转变成无约束优化模型;最后运用免疫算法(IA)进行求解可靠性指标.通过数值算例和工程算例验证了本文方法的有效性,并在工程算例中讨论了相关性对可靠性指标的影响.     

一种改进的结构可靠度分析中响应面法

在实际工程结构的可靠度分析中,极限功能函数通常很难用明确的表达式表达,响应面法因其自身的优点得到了广泛的应用.为进一步提高求解效率,提出了一种改进措施,在迭代求解过程中,不同于通常的每次都在插值点处展开2n 1个样本点,而是用插值点逐步替代距离极限状态曲面最远的点,直至收敛到给定的精度要求.通过算例进行的对比分析证明,改进的响应面法在没有降低计算精度的前提下,使有限元分析次数显著减少.该方法尤其适用于大型复杂结构的可靠度分析.     

偏心受压构件可靠度分析的极限状态方程

分析了偏心受压构件可靠度计算采用的极限状态方程。对钢筋混凝土大小偏心受 压和不允许开裂的混凝土受压构件作了以轴向压力表达和以弯矩表达的极限状态方程 的可靠度对比计算。计算结果表明，以通常采用的轴向压力表达的极限状态方程进行可靠度分析．不能确切地反映荷载变异性对可靠度的影响．因此所计算的可靠指标也 是不确切的．建议偏心受压构件可靠度分析采用以弯矩表达的极限状态方程。     

带TMD结构的随机地震响应分析的新方法

基于状态空间表达的TMD-结构动力微分方程,运用虚拟激励法,引入精细积分法进行计算,提出求解带TMD结构的非平稳随机地震响应计算的新方法.该方法避免了复模态法的复杂性,能精确快速求解带TMD结构的平稳和非平稳随机地震响应.采用结构的最大弹性层间位移角限值作为控制指标建立极限状态方程,基于首次超越破坏理论,进行了无控和TMD控制下结构的可靠度对比分析,建立起结构动力可靠度作为评价控制效果的性能指标.以1栋8层的剪切型钢框架结构作为算例,结果证实本方法的正确性.     

钢闸门结构时变刚度模型及其可靠度评估

基于可靠性原理，建立了水工钢闸门结构正常使用极限状态刚度可靠度分析的极限状态方程，提出了钢闸门结构刚度可靠度分析的3种计算模式．对影响钢闸门结构构件刚度衰减的主要因素——钢材锈蚀进行了统计分析，得到了锈蚀规律，并进一步分析得到了闸门构件刚度的衰减模型．以受弯构件为例，采用JC法对其刚度可靠指标进行了计算分析．结果表明，其刚度可靠指标满足结构可靠性总原则的要求，且露顶门的刚度可靠指标大于潜孔门的刚度可靠指标，从而初步确定了现行水工钢闸门设计规范正常使用极限状态的刚度目标可靠指标。     

基于可靠度敏感性的神经网络法研究边坡稳定性

针对边坡工程结构功能函数不能显式表达的可靠性分析问题和非线性问题计算量大的弊端．研究结构可靠度敏感性,提出参数的相对敏感性分析方法,并基于该方法提出了神经网络法分析边坡稳定性。具体思路：由可靠指标对随机变量分布参数的相对敏感性分析,确定边坡可靠度主要影响参数;用神经网络模型近似替代响应量与基本变量间的隐式极限状态函数,根据蒙特卡罗模拟法,对网络模型进行可靠度分析,求解结构可靠度指标。基于可靠度敏感性的神经网络法．对均值和成层边坡进行稳定性分析,与传统可靠度计算方法相比．结果表明：该方法分析边坡稳定性是准确的且具有较高的计算效率。     

冰区海洋平台构件的模糊疲劳可靠性分析

为便于冰区海上固定采油平台的设计和对其在服役期间的安全可靠性进行评估 ,运用模糊数学理论和疲劳寿命试验 ,提出了冰区海洋平台构件的安全疲劳寿命计算及其可靠性分析的方法。给出了冰区海浪及海冰载荷作用于平台构件上的随机疲劳应力幅的计算方法 ,分析了平台构件的疲劳累积损伤 ,提出了考虑模糊性之后对Min er法则的修正。据此 ,给出了安全疲劳寿命的估算方法 ,建立了新的模糊疲劳可靠性分析模型。按照此模型 ,给出了平台服役期间构件动态模糊疲劳可靠度的计算方法。疲劳寿命试验及计算实例表明 ,与采用常规的确定性Miner法则计算结果相比 ,按照该文方法计算得出的疲劳寿命更接近于疲劳寿命试验结果。     

一种基于Kriging模型的机械结构可靠性分析方法

通过分析现有机械结构可靠性抽样方法存在的不足以及影响失效概率估计精度的主要因素,提出了一种基于Kriging模型及自适应抽样方法的机械结构可靠性分析方法.该抽样方法将随机抽样与聚类算法相结合,能够在概率上保证新增样本点落在对失效概率贡献较大的区域,避免对非重要区域的不必要抽样.以大数定律及中心极限定理为基础,推导了所提出的Kriging模型的收敛条件.通过两个算例说明所提出方法的迭代收敛过程、准确性及稳定性,结果表明,该方法能够在较少调用结构功能函数情况下得到失效概率较准确的估计值.     

冰区海洋平台整体可靠度分析高效近似算法

冰荷载是冰区海洋平台设计的控制荷载,极值冰力直接危害着平台结构整体的安全.以渤海辽东湾 JZ20-2 MSW、JZ20-2 NW 导管架海洋平台为例,考虑了冰荷载、构件几何尺寸、材料弹性模量、屈服强度、恒荷载的随机性,利用Monte-Carlo法进行随机抽样分析,得到了冰区导管架海洋平台结构整体抗力及极值冰力响应(顶点位移)的概率统计.在此基础上,提出了冰区海洋平台整体可靠度分析的高效近似算法,把功能函数简化为线性的显武表达式.数值算例表明该算法大大提高了计算效率,并具有满意的精度与适用性.     

一种自适应PC-Kriging模型的结构可靠性分析方法

为提高小失效概率及耗时的复杂结构可靠性评估精度和效率,提出了一种基于PC-Kriging(polynomial-chaos-based Kriging)模型与自适应k-means聚类分析相结合的结构可靠性分析方法.PC-Kriging的回归基函数采用稀疏多项式最优截断集合来近似数值模型全局行为,并用Kriging来处理模型输出的局部变化.在基函数的建立上,PC-Kriging采用最小角回归(LAR)计算功能函数可能的多项式基函数集的数量,同时用Akaike信息准则(AIC)来确定最优多项式形式.自适应k-means聚类分析确保每次迭代添加若干个对失效概率贡献较大的样本点.通过两个数值算例分析,结果表明所提出方法在能够保证失效概率估计值的有效性和准确性的同时减小结构功能函数的评估次数.     

基于PC-Kriging模型与主动学习的齿轮热传递误差可靠性分析

为提高齿轮热传递误差可靠性分析的计算效率和精度,提出了一种高效的基于PC-Kriging代理模型与主动学习函数LIF相结合的可靠性分析方法.采用多项式混沌展开(polynomial-chaos-expansion,PCE)替代传统Kriging模型的回归基函数来增强预测模型的全局近似精度,并利用Kriging模型来捕捉预测模型局部特征的能力.采用最小角回归(LAR)构建回归基函数的最优多项式数量集,同时用Akaike信息准则(AIC)来确定最优的截断集合.并采用一种主动学习函数LIF选择每次迭代的最佳样本点以提高模型收敛效率.通过齿轮热传递误差算例表明:与传统的Kriging代理模型相比,所提出方法在保证精度的同时可以极大地减少预测模型可靠性分析中的学习次数.     

基于迭代均值组合近似模型和序贯优化与可靠性评估法的船舶结构优化设计

针对传统可靠性优化方法不能同时保证大型船舶结构计算效率与精度的问题,在船舶结构优化设计中考虑设计变量的不确定性,通过迭代均值组合(ER)近似模型和粒子群算法(PSO)提高序贯优化与可靠性评估(SORA)法的计算效率和精度,建立了改进的可靠性优化设计流程并解决了多用途船舱段的可靠性优化问题.其中:SORA法将可靠性分析与优化过程解耦,并提高了可靠性优化效率;PSO保证了SORA法优化所获全局最优解的计算效率;ER近似模型能够以最少的采样点建立满足精度要求的近似模型,并代替最有可能的失效点(MPP)和优化过程中耗时的有限元计算.多用途船舱段的可靠性优化结果表明:可靠性优化相较于确定性优化更有实际意义;改进的可靠性优化设计流程在保证计算精度的同时能够显著降低计算成本.     

海洋结构裂纹检测与维修优化

首先讨论了海洋结构含裂纹构件的失效准则及修复构件疲劳性能的评价模型。应用概率断裂力学方法提出了一个描述海洋结构检测与维修过程的可靠性模型 ,该模型同时考虑了疲劳和断裂两种失效形式 ,并可以评价检测、维修过程对平台可靠性的影响。基于该模型 ,开发了一个描述裂纹萌生与扩展过程的可靠性数值仿真器 ,用于对服役平台的检测和维修进行优化。用该数值仿真器对一个实例进行计算的结果表明 ,对裂纹进行检测优化时 ,不计断裂失效是不合理的。     

基于随机结构的延寿服役海洋平台管节点疲劳寿命可靠度预测方法

将延寿服役平台管节点在进行疲劳寿命可靠度预测的过程中视为随机结构,基于断裂力学疲劳模型,结合随机有限元法和复合随机振动理论,提出海洋平台管节点随机结构在随机波浪作用下疲劳寿命预测方法.通过算例说明了该方法的实用性和简便性,同时计算结果证明结构随机性会对疲劳寿命可靠度预测产生较大的影响.     

面向结构可靠性分析的并行自适应加点策略

现有的自适应加点策略多局限于Kriging模型，或在每次迭代过程中只能选取一个最佳样本点，效率较低.为解决上述问题，本文提出了一种通用的并行自适应加点策略CF-K.该方法考虑了样本点的局部不确定性并确保所选样本点分布在极限状态函数附近；此外，结合k-means算法以实现并行计算，即利用多台计算机在每次迭代的同时进行多个样本的仿真.算例分析表明，与其他方法相比，所提方法在满足精度要求的条件下具有更少的迭代次数，更节省时间.基于所提方法的结构可靠性分析不仅在计算效率和精度之间取得了较好的平衡，在理论上还可用于任何现有的代理模型.     

基于Kriging模型的特殊螺纹油管和套管接头密封可靠性分析

以某型特殊螺纹接头为分析对象,建立该特殊螺纹密封可靠性功能函数,通过有限元方法对螺纹接头进行载荷包络线试验仿真,确定载荷包络线试验中螺纹接头密封失效的最危险载荷点。基于该最危险载荷点,通过随机化影响特殊螺纹密封性能的11个参量,利用Kriging代理模型对螺纹接头进行可靠性分析,确定其在载荷包络线试验中最危险载荷点下的密封可靠度。结果表明:基于Kriging模型的密封可靠性分析是评价特殊螺纹接头密封性能的一种有效方法,能够满足工程应用的需要,可用于特殊螺纹接头的设计、优化和选用。