多变量函数统计矩点估计法的性能比较

多变量函数的统计矩估计是随机系统分析和可靠度分析中较为普遍的问题,点估计法则是解决这类问题的最为简单、高效的途径。为便于点估计法在实际工程中的合理应用,该文试图通过详细、系统的算例分析,对几类典型点估计法的计算性能展开讨论。通过二次函数和混合函数在多种变量工况下的低阶矩估计的精度比较研究,可以发现:1)点估计方法对高阶矩估计的精度较低阶矩低;2)函数非线性程度、变量类型和变异系数等对点估计法精度均有较为明显的影响,变量数目和相关系数的影响因方法而异;3)相对而言,Zhao&Ono方法精度最优,但用于强非线性、大变异性情形时,精度亦不甚理想,此时应慎用或者增加计算点的数量;4)Harr方法的计算精度在相关系数等于0处存在突变。     

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。     

一种新的体系可靠度的近似计算方法

提出了一种新的体系可靠度的近似计算方法。首先将一个线性失效模式在另一线性失效模式失效前提下的条件失效模式近似为一个等价的线性失效模式,然后利用条件概率的基本原理并结合所推导的等价失效模式的理论表达式,提出了一种并联体系可靠度的近似计算方法,从而将求解一组失效模式交集失效概率的复杂问题转化为求解一组线性等价失效模式失效概率乘积的简单问题。由于串联体系以及串并联混合体系均可表示为一系列失效模式交集的线性组合,因此方法可以很方便地应用于串联体系以及串并联混合体系的体系可靠度计算。此算法计算过程简单、计算量小、计算精度高,适合于大型结构体系的体系可靠度计算。     

单变量函数统计矩的点估计法性能比较

点估计法是随机系统响应量统计矩计算的方法之一,由于简单、高效而颇受关注,其中单变量函数的统计矩估计则是点估计法的基础.虽然各研究者对各自提出的点估计方法均进行了算例验证,但这些算例验证的普适性值得商榷.该文通过详细、系统的研究,对已有的单变量函数统计矩的点估计方法进行全面的影响因素分析和计算性能评价.大量的算例分析结果表明:1) 函数的非线性程度、随机变量的类型及其变异系数是点估计算法精度的主要影响因素,变量均值影响较小,且本质上是通过改变函数的非线性程度间接影响精度;2) Zhou & Nowak方法(5 个计算点)精度最优;3) 当函数非线性程度较强、变量变异系数较大时,各方法精度均不够理想,此时应慎用点估计法.     

概率信息不完全系统的统计矩估计方法

根据已知变量概率信息的不同,概率信息不完全系统可分为子类I、子类II和子类III。现有的统计矩点估计法可以方便地用于概率信息完全系统和概率信息不完全系统子类I,但是对可能出现的概率信息不完全系统子类II和子类III无能为力。为此,该文在重点研究子类III的等效相关系数求解方法的同时给出了子类II等效相关系数的简化方法,并发展了适用于一般概率信息不完全系统的广义Nataf变换;在此基础上,结合多变量函数的单变量降维近似模型,提出了概率信息不完全系统的统计矩估计方法,并讨论了参考点选择、变量排序等对计算效率的影响;最后,通过算例对建议方法进行了系统的验证。算例结果表明:该文建议的等效相关系数求解方法准确有效、变量排序策略切实可行,统计矩估计法具有广泛适用性且对于低阶矩具有较理想的精度。     

非平稳地震作用下强非线性结构动力可靠度分析

针对结构-地震动双重不确定影响下强非线性结构地震可靠度难以精确求解的问题,基于极值分布理论,提出了一种非平稳地震作用下非线性结构地震可靠度分析的高效数值方法。首先采用随机函数的降维思想对非平稳地震动进行降维模拟,将谱表达方法模拟非平稳地震动时需要的上千个高维随机变量减少到2个基本随机变量,大大减少了概率空间的维数;然后提出了一种改进的伪相关性折减拉丁超立方抽样方法确定积分点,从而对结构非线性地震响应极值分布分数矩进行有效估计,最后采用分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应极值分布,实现了小失效概率水平下非线性结构地震可靠度的精确估计。数值算例表明,该方法通过300次的动力分析就能够对结构-地震动双重不确定影响下强非线性结构地震响应的极值分布进行估计,其能够在兼顾效率和计算精度时对小失效概率水平下结构的动力可靠度进行精确计算,与既有方法相比,其计算量仅为现在方法的1/5,该方法能够为结构的地震风险评估提供一种有效途径。     

基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法

传统的蒙特卡罗模拟方法在分析由于参数不确定性修正而引起的可靠度修正问题时效率较低。为此,提出了一种基于蒙特卡罗模拟的高效边坡可靠度修正方法,该方法主要包括2个关键步骤:1)根据参数初始分布利用蒙特卡罗模拟方法计算边坡的失效概率,并输出蒙特卡罗模拟的失效样本;2)利用参数统计特征值修正后的联合概率密度函数和蒙特卡罗模拟失效样本计算修正后边坡的失效概率。以两个边坡问题为例说明了所提方法的有效性。结果表明:所提出的方法在计算修正的失效概率过程中无需重新执行蒙特卡罗模拟,计算过程简单、计算效率高。此外,所提方法能够适用于隐式表达功能函数的边坡可靠度修正问题,并能够有效地解决单变量和多变量修正的边坡可靠度修正问题。     

基于双变量降维模型和Kriging近似的统计矩点估计法

对复杂随机系统进行统计矩分析时,双变量降维近似模型一定程度上可以缓解“维数灾难”。但当系统维数较高时,双变量分量函数较多,计算量仍然较大。为此,该文将降维近似和Kriging代理模型有机结合起来,提出了一类高效、合理的改进点估计法。充分考虑函数逼近和数值积分中积分点的特点,提出了“米”字形的选点策略,并基于此发展了双变量分量函数的Kriging近似模型;将此近似模型用于原函数和矩函数的双变量降维近似模型中双变量分量函数的近似,分别建立了基于原函数近似和矩函数近似的统计矩改进点估计法;通过多个算例对该文提出方法进行了效率和精度的分析。算例分析结果表明:基于“米”字形选点策略的双变量分量函数的Kriging近似具有较高的精度;相比于已有的基于双变量降维近似模型的统计矩点估计法,建议方法仅需较少的结构分析即可达到与已有方法相当的精度,能更好地体现精度和效率的平衡。     

涉及离散变量的函数统计矩点估计法

点估计法对于仅包含连续随机变量的函数和系统的随机分析具有原理简洁清晰、操作简单易行的优点,并可以直接给出除均值和标准差之外的其他低阶统计矩。然而,对于客观存在的或者是需处理为的涉及离散随机变量的系统,现有的点估计法无能为力。为解决这一问题,该文基于一般随机系统的形式解析解,导出了涉及离散变量函数和系统的统计矩估计的理论表达式;然后,将其与现有的点估计法相结合,给出了涉及离散变量的函数和系统的低阶矩估计的点估计法;最后,通过理论推导和算例分析两种方式验证了建议方法的合理性和有效性,且指出该方法对包含离散变量的一般工程随机系统分析的适用性。     

两端简支输流管道共振可靠度分析

采用基于Galerkin的加权残数法分析输流管道,利用 阶Galerkin截断建立试函数,推导出消除残数方程,得到输流管道的前 阶固有频率,并分析流速对固有频率的影响。建立输流管道共振可靠度的功能函数,利用点估计法计算功能函数的前四阶矩,采用修正Edgeworth级数法求得输流管道的共振可靠度,并讨论了流速对管道共振可靠度的影响。研究结果对于输流管道的防共振设计和共振可靠性评估具有参考价值。     

A system reliability estimation method by the fourth moment saddle point approximation and copula functions

Despite many advances in the field of computational system reliability analysis, estimating the joint probability distribution of correlated non-normal state variables on the basis of incomplete statistical data brings great challenges for engineers. To avoid multidimensional integration, system reliability estimation usually requires the calculation of marginal failure probability and joint failure probability. The current article proposed an integrated approach for estimating system reliability on the basis of the high moment method, saddle point approximation, and copulas. First, the statistic moment estimation based on the stochastic perturbation theory is presented. Thereafter, by constructing CGF (concise cumulant generating function) for the state variable with its first four statistical moments, a fourth moment saddle point approximation method is established for the component reliability estimation. Second, the copula theory is briefly introduced and extensively utilized two-dimensional copulas are presented. The best fit copula for estimating the probability of system failure is selected according to the AIC (Akaike Information Criterion). Finally, the derived method is applied to three numerical examples for the sake of a comprehensive validation.     

基于Legendre正交多项式逼近法的结构可靠性分析

提出了结构可靠性分析的Legendre正交多项式逼近法。主要是基于数值逼近原理,以Legendre正交函数族做基,利用功能函数的高阶矩信息,通过计算功能函数概率密度函数的逼近表达式,然后根据工程结构可靠性的一般表达式来计算结构的失效概率,进行可靠性分析。通过数值检验,证明该方法可以很好地逼近各种经典理论分布曲线(正态分布、指数分布等6种经典分布)。文后给出了结构构件失效概率的实例计算,并和其它几种常用方法进行对比,进一步表明了Legendre正交多项式数值逼近法在结构可靠性分析理论上的正确性和实用性。     

Reliability analysis of universal joint of a compliant platform

The paper describes a methodology for computation of fatigue reliability of universal joint in an articulated offshore tower. Failure criteria were formulated using the conventional Palmgren‐Miner rule (S‐N curve approach) and the fracture mechanics (F‐M) principle. The dynamic analysis of double hinged articulated tower under wind and waves is carried out in time domain. The response histories of hinge shear stresses are employed for the reliability analysis. Advanced first‐order reliability method and Monte Carlo simulation method were used to estimate the reliability. Various parametric studies were carried out, which yield important information for the reliability based design. The S‐N curve approach yields a significantly conservative estimate of probability of failure when compared to the F‐M approach.     

基于分位数函数和Bootstrap分布的不确定度评定研究

最大信息熵方法是基于概率分布评定测量不确度的主要方法之一。其所依赖的高阶矩需要较大样本的测量数据,而校准/检测实验室的测量一般为小样本,故用最大熵方法评定小样本测量不确定度缺乏一定的可靠性。提出了基于分位数函数和概率权重矩作为约束条件的最大信息熵不确定度评定法,把矩的计算从高次降为一次,并结合遗传算法求解概率分布,用Bootstrap分布估计扩展不确定度和包含区间,解决了由分位数区间估计分布不对称所致的复杂计算问题。     

非线性结构动力学系统的首次穿越

在结构动力学系统的可靠性分析中,动力学系统的首次穿越失效一直是研究重点问题之一。在     

Reliability based design optimization using response surfaces in application to multidisciplinary systems

Traditionally, reliability based design optimization (RBDO) is formulated as a nested optimization problem. For these problems the objective is to minimize a cost function while satisfying the reliability constraints. The reliability constraints are usually formulated as constraints on the probability of failure corresponding to each of the failure modes or a single constraint on the system probability of failure. The probability of failure is usually estimated by performing a reliability analysis. The difficulty in evaluating reliability constraints comes from the fact that modern reliability analysis methods are themselves formulated as an optimization problem. Solving such nested optimization problems is extremely expensive for large scale multidisciplinary systems which are likewise computationally intensive. In this research, a framework for performing reliability based multidisciplinary design optimization using approximations is developed. Response surface approximations (RSA) of the limit state functions are used to estimate the probability of failure. An outer loop is incorporated to ensure that the approximate RBDO converges to the actual most probable point of failure. The framework is compared with the exact RBDO procedure. In the proposed methodology, RSAs are employed to significantly reduce the computational expense associated with traditional RBDO. The proposed approach is implemented in application to multidisciplinary test problems, and the computational savings and benefits are discussed.     

基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度

为研究桥墩非线性地震响应下的抗震可靠度,引入随机函数-谱表示模型与高阶矩法,提出了基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度分析方法。考虑三线型恢复力模型,建立了桥墩的单墩模型;利用随机函数-谱表示模型生成非平稳地震加速度时程样本并对桥墩进行非线性时程分析,在此基础上,建立了结构响应极值前四阶矩(均值,标准差,偏度和峰度)的计算框架;最后,考虑桥墩位移界限,给出了桥墩位移的功能函数,进而利用高阶矩法计算桥墩抗震可靠指标。通过对桥墩结构分析,验证了该方法的高效性与精确性;计算结果表明:与Monte Carlo模拟结果相比,该方法计算的前四阶矩、抗震可靠指标(失效概率)的最大相对误差分别为0.28%,1.92%(4.92%),该方法为桥墩抗震可靠度评估提供了一种有效的途径。     

含间隙非线性的惯容橡胶复合隔振系统可靠性分析

大多数惯容系统的研究未考虑间隙非线性的影响,有研究表明,大间隙的产生对系统响应的影响不可忽略。该文建立了含间隙非线性的惯容-橡胶复合隔振系统的随机微分方程,基于随机非线性分析方法,推导了系统响应的统计矩,计算了系统响应的概率密度函数,利用首超可靠性分析理论求得了系统的失效概率,并分析了间隙对系统响应的统计特性及可靠性的影响。同时,也考虑了非平稳激励下间隙非线性对系统响应及可靠性的影响。结果表明,间隙值变大时,系统响应的统计矩变大,概率密度函数曲线快速发散,系统的失效概率迅速增加,这与确定性分析得到的结果不同,在设计隔振器时应当考虑间隙对系统动力可靠性的影响。