基于分解法的最大熵随机有限元法

摘要：提出了一种新的基于分解法的最大熵随机有限元方法,利用单变量分解将多维随机响应函数表述为单维随机响应函数的组合形式,从而将求解随机结构响应统计矩的多维积分表达式转化为单维积分式,对单维积分采用高斯-埃尔米特积分格式求解。在获得结构响应的统计矩之后,利用最大熵原理求得结构响应的概率密度函数解析表达式。该法不涉及求导运算,对于非线性随机问题非常适用。算例结果表明,本文方法具有较好的精度与计算效率。
     

随机结构非平稳响应的正交解法

解随机结构扩阶系统动力方程一直是随机结构响应求解中的难点。借助Gegenbauer多项式逼近法,将随机参数系统动力响应计算问题转化为与其等价的确定扩阶系统的响应计算问题。用精细积分对过滤白噪声的非平稳随机激励进行K_L分解,利用K_L向量的能量集中的特点,用少量的K_L向量参与扩阶系统的响应计算即可获得较精确的响应值,...     

基于最大熵法的单层球面网壳在地震作用下的破坏模式预测

从数学与信息论中引入最大熵法概念,同时充分考虑了结构响应的随机性,通过结构最大位移概率密度函数来判断与预测结构的破坏模式.以跨度40m、50m、矢跨比1/5、1/7的K8型单层球面网壳结构为例,同时考虑几何非线性与材料非线性,对网壳结构进行了地震作用下破坏模式的分析.利用有限元方法计算得到的若干样本,通过最大熵原理建立了破坏最大位移概率密度函数与结构破坏模式的定量关系,进而合理选取两级地震动,通过这两级地震动下的最大位移概率密度函数最大峰值差来预测结构的破坏模式.     

环境激励下基于奇异谱互熵的结构损伤诊断方法

环境激励下的结构响应是一个随机过程,结构发生破损时其响应将随之变化,因而可将描述随机过程特性的参数作为评判结构状况的指标。熵是测量随机过程不确定性的一个比较方便的方法,能够用于高斯及非高斯分布的情况。在相空间重构与奇异值分解的基础上建立了奇异谱互熵的概念,提出了一种环境激励下用奇异谱互熵诊断结构损伤的方法。以ASCE学会提出的基准结构为对象进行研究,利用NExT技术获得响应,采用伪邻近法确定相空间的嵌入维数,讨论了不同工况及噪声对诊断结果的影响,分析结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析

准确而高效地求解结构体系中多个构件的可靠度水准对结构维护和优化具有重要意义,目前已有学者将蒙特卡洛法和响应面法用于此类可靠度分析。然而,蒙特卡洛法所需结构分析次数取决于失效概率的量级,通常计算成本较高。而响应面法的所需结构分析次数取决于杆件数量,当其数量较多时同样有较高的成本。鉴于此,该文提出了一种基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析方法,其所需的结构重分析次数上限与杆件数量无关,计算过程简便无需迭代。首先,通过引入自适应交叉项判定和双变量降维近似模型求解各杆件的前四阶矩;然后,根据各杆件的前四阶矩,采用最大熵原理求解各杆件的可靠度指标;最后,通过多个算例对比了蒙特卡洛法、响应面法和建议方法的精度和效率。结果表明建议方法所需的结构重分析次数远少于蒙特卡洛法和响应面法,实现过程简便,且精度能够满足工程要求。     

基于数据库的优化随机子空间法识别精度评价

模态识别精度评价贯穿模态识别研究的全过程,但基于单一或少数算例的模态识别精度评价方法存在偶然性,因此提出一种基于结构响应数据库评价模态识别精度的方法。数据库的关键数据是结构的模态参数理论值和结构响应;对于集中质量模型,提出一种基于模态参数构建结构物理模型(质量、刚度和阻尼矩阵),进而计算结构响应的数据库构建方法,并用算例验证了可行性。针对随机子空间法定阶难、虚假模态剔除难的问题,提出一种基于奇异熵增量定阶和稳态图两阶段虚假模态剔除的优化随机子空间法,并利用数据库方法对优化的随机子空间法进行了识别精度评价,结果表明：基于数据库的模态识别精度评价方法可行;优化的随机子空间法频率和振型的识别精度高、阻尼比的识别精度较低。     

高层基础隔震建筑非平稳随机响应改进算法

利用虚拟激励法和等效线性化技术,计算了基础隔震高层建筑的非平稳随机响应。研究了高阶振型对高层隔震建筑响应的影响,提出了针对基础隔震结构随机响应分析的改进算法。计算中假定隔震建筑上部结构在大震作用下依然保持弹性状态,塑性变形集中在隔震层处,隔震层的恢复力-位移本构关系采用Bouc-Wen模型来描述。上部结构只需要提取前若干阶振型参与动力计算,剩余的高阶振型对结构响应的贡献按照静力校正技术求得。研究表明,改进的计算方法在没有显著增加计算量的同时,通过近似考虑高阶振型的影响,有效地提高了计算的精度。     

POD法在定日镜风振响应计算中的应用

定日镜结构风振响应中有多个振型参与,利用完全二次型组合法(CQC)可以考虑各振型间的耦合作用,得到精确结果,但计算量很大,因此提出将随机风场本征正交分解(POD)技术运用到定日镜结构响应计算中.首先给出了POD法原理,讨论了如何将POD法与CQC法结合进行结构脉动响应的频域分析;然后利用POD法分解风洞试验中多通道电子式压力扫描阀系统同步采集到的定日镜表面风压时程,分析了其本征向量的分布特点,以及各阶模态的贡献情况;最后计算出定日镜风致位移响应的均方根,并且对比采用不同阶数模态缩减得到均方根响应的误差.结果表明将POD法引入到风振响应分析中可以大大减少计算工作量并且能保证足够的精度.     

基于二项级数近似的结构概率分析

结构稳健优化设计中,一个关键的环节是分析结构响应量的概率特性,即计算响应的均值和方差。常用的方法主要有泰勒级数法、蒙特卡洛法以及数值积分法等。其中泰勒级数法精度较差,不适用于参数方差较大的随机结构,而蒙特卡洛法和高斯积分法计算量又过大。为了提高结构稳健性分析的计算效率,将结构位移的二项级数近似技术引入到高斯积分方法之中,提出一种结构位移均值及方差的计算方法。同时,用伴随向量法推导了相关的灵敏度计算公式。通过一个算例与已有的方法进行了比较,表明该方法较大程度上减少了高斯积分法的计算量,而与泰勒级数法相比,该方法又具有较高的计算精度,并且其灵敏度计算不再需要重分析,计算量较少。     

基于贝叶斯法的复杂有限元模型修正研究

从概率思维角度出发,证明基于最大熵原理的贝叶斯反分析准则函数法和解不适定问题的正则化方法是一致的,提出一种基于信息融合和贝叶斯理论的模型修正方法。该方法采用试验设计构造样本,采用二次响应面作为快速运行模型,通过响应面自身的特性和精度要求进行收敛判断,在响应面迭代中确定信息融合系数（设计规范、有限元计算信息、实测信息）和待修正的设计参数值。该方法充分利用先验信息,迭代计算量较小,可推广至大型复杂非线性结构。某抽水蓄能电站地下厂房结构的有限元模型修正结果验证了该方法的有效性     

Sensitivity analysis of entropy-constrained designs of water distribution systems

A study of the relationship between the statistical entropy and hydraulic reliability of water distribution systems (WDS) was carried out by assessing the effects of layout, flow direction, and pipe costs. Because of an invariance property of the entropy function, different WDS layouts can have identical maximum entropy values. The properties of designs that have identical maximum entropy values were also compared. The results reinforce previous observations that entropy is a potential surrogate measure for hydraulic reliability and suggest that any influences due to the design factors mentioned above are negligible. Maximum entropy designs are shown to be more reliable than other designs, while designs with different layouts but equal maximum entropy values have very similar levels of reliability. The head-dependent analysis method was used and revealed the correlation between entropy and reliability more clearly than hitherto achieved using demand-driven analysis.     

滚动轴承的振动性能退化过程与保持可靠性研究

为了分析滚动轴承的振动性能退化过程与保持可靠性之间的关系,提出一种基于最大熵法和相似度法的滚动轴承振动性能退化模型,并对滚动轴承的退化过程进行评估;然后基于最大熵法和泊松过程建立滚动轴承振动性能保持可靠性模型;最后基于灰关系理论对滚动轴承的性能退化序列和保持可靠性序列进行分析。实验结果表明,所提出的滚动轴承振动性能退化模型能够有效地识别滚动轴承的退化状态,并且滚动轴承振动性能保持可靠性的演变历程与振动性能退化过程之间有明显的灰关系,可信水平均达到80%以上。     

基于改进统计矩点估计法和最大熵原理的结构整体可靠度分析

结构整体可靠度评估一直以来是结构可靠度领域研究的热点与难点。该文将结构整体可靠度分类,并给出其对应功能函数的统一描述;结合提出的有效维度两步分析法和共轭无迹变换法,发展了改进统计矩点估计法;结合最大熵原理和改进统计矩点估计法,提出了适用于两类结构整体可靠度的统一分析方法;通过2个数值算例对该文方法进行了验证。算例分析结果表明:同一精度水平下,该文方法的计算效率较传统的三变量降维近似统计矩点估计法高2.3倍~2.6倍;该文方法具有高的精度水平,其最大相对误差低于2%,适用于结构整体可靠度评估。     

最大熵法可靠度理论在工程中的应用

基于信息论中最大熵的概念，探讨了最大熵法的可靠度理论在工程中的应用。讨论了样本的均值、标准差对收敛性的影响，以及样本数量与最大熵法阶数对概率密度函数、超越概率、可靠指标精度的影响。提出了结构分析中应采用四阶矩法，并给出应用该方法时精度控制的若干建议。     

Using partial probability weighted moments and partial maximum entropy to estimate quantiles from censored samples

The maximum entropy principle constrained by probability weighted moments is an useful technique for unbiasedly and efficiently estimating the quantile function of a random variable from a sample of complete observations. However, censored or incomplete data are often encountered in engineering reliability and lifetime distribution analysis. This paper presents a new distribution free method for the estimation of the quantile function of a non-negative random variable using a censored sample of data, which is based on the principle of partial maximum entropy (MaxEnt) in which partial probability weighted moments (PPWMs) are used as constraints. Numerical results and practical examples presented in the paper confirm the accuracy and efficiency of the proposed partial MaxEnt quantile function estimation method for censored samples.     

Dynamic reliability analysis of gear transmission system based on sparse grid numerical integration and saddle-point approximation method

Gear systems are widely used in various mechanical transmission systems. This paper aims to develop an effective and practical method for dynamic reliability analysis of gear transmission system. The proposed method can comprehensively evaluate the dynamic reliability of gear transmission system by adopting the fourth-moment SPA method. First, a nonlinear dynamics model of a single-stage spur gear transmission system is established, which simultaneously takes into account the nonlinear backlash, time-varying meshing stiffness, and static transmission error. After that, a dynamic reliability model for the tooth surface contact fatigue failure of gear system is established with the uncertainty of the motion, structure, and material parameters using stress-strength interference (SSI) theory. To be specific, the sparse grid numerical integration (SGNI) method is applied to solve the statistical characteristic parameters of the dynamic reliability of the system. The probability distribution of the performance function is obtained with the fourth-moment SPA method. Test examples show that the results of the proposed method are consistent with the results obtained by the Monte Carlo simulation (MCS) and superior to the maximum entropy with fractional moments (ME-FM) method, which verifies the effectiveness of this approach. Finally, the dynamic reliability of the gear transmission system with respect to load times is evaluated.     

最大熵先验下成败型产品成功率的鉴定试验方案

针对多种形式的先验信息,运用最大熵原则求取先验分布,在此基础上制定出最大后验风险鉴定试验方案。这不仅最大限度地避免了主观因素的带入,而且在确保验收质量的前提下,大大节省了试验样本数。     

车辆运行状态测试设备间相对误差率分析新方法

车辆运行状态安全测试设备的一致性、准确性是铁路智能运输系统中防止车辆超载引发事故的关键。文中提出了一种新的车辆运行状态测试设备间相对误差率分析方法，克服了现有随机抽样法所引起的数据局限性，获得了蕴含丰富现场工况的数据源，运用最大熵原理导出了相对误差率的分布模型；实现了多系统数据的匹配校验，纠正了系统中的误传数据，同时评定了速度、天气、车种各因素对相对误差率的影响。实验和实际应用的结果表明，该法解决了目前车辆运行状态安全测试设备间相对误差率分析方法的匮乏问题，从理论上验证了设备的一致性、可靠性。