结构可靠度求解的自适应细分-重要抽样法

传统的结构可靠度求解方法在处理呈非正态、多变量、小失效概率以及功能函数非线性的问题时,很难以较低成本获得满意的精度。为克服现有方法的不足,将通用生成函数、自适应细分原理和重要抽样技术相结合,提出结构可靠度求解的自适应细分-重要抽样法。根据自适应细分原理,对临界域进行细分,减少离散区间长度,通过递归操作对随机变量进行非均匀自适应细分,得到失效域概率以及细分后的临界域,并由复合运算获得临界域的结构通用生成函数。临界域失效概率由针对域内热点焦元的重要抽样技术获得,失效域概率与临界域失效概率之和即为结构失效概率估计值。算例分析表明,新方法的计算误差明显小于传统方法,同时借助重要抽样技术提高了计算效率。     

考虑状态模糊性时广义失效概率计算的线抽样方法

针对状态具有模糊性的广义可靠性分析问题,提出一种广义失效概率计算的线抽样方法.所提方法首先将广义失效概率的积分区域依据功能函数的取值离散化,在离散化的积分区域中极限状态函数对模糊失效域的隶属函数近似保持为常数,从而可以利用高效的线抽样方法求得广义失效概率.给出所提方法的实现步骤和原理,并用理论和工程算例证明所提方法的合理性与可行性.     

变胞机构多失效模式运动可靠性分析与优化

针对含概率随机变量和非概率区间变量的面向任务可控变胞机构的多失效模式运动可靠性模型,提出了一种可靠度计算的方法,该方法根据可靠性变量生成含有概率信息的状态空间,结合多失效模式的失效功能函数及其变量的相关性函数生成的安全空间函数,得到变量状态空间中的安全空间,对其求解或空间离散化计算得出可靠度.在此基础上,提出了多失效模式的变胞机构运动可靠性的优化方法,得出满足约束条件的最优目标函数值及优化变量对应的可靠度分布情况.运用所提出的方法对实例中的变胞码垛机器人系统运动可靠性模型进行分析与优化,通过与传统的计算方法进行对比,验证了所提方法的准确性.研究工作为变胞机构可靠性的研究提供了参考.     

基于通用生成函数的可靠性分析方法

提出了基于通用生成函数的可靠性分析方法。首先把连续随机变量离散化,并用离散变量的概率质量函数予以表示;其次根据通用生成函数运算法则计算极限状态函数的概率质量函数,再对极限状态函数的概率质量函数求各阶导数,得到极限状态函数的各阶矩;最后利用极大熵原理建立设计优化问题的数学模型,求解极限状态函数的概率密度函数和累积分布函数。文中所提出的方法避免了对极限状态函数进行灵敏度分析,也不需要求解设计验算点(MostProbable Point,MPP),适于求解混合离散变量和高度非线性问题。实例分析和与蒙特卡洛仿真对比结果验证了所提方法的有效性。     

基于重要抽样马尔可夫链模拟的可靠性灵敏度分析新方法

重要抽样法是一种计算效率高而应用广泛的可靠性分析方法.在采用重要抽样法计算失效概率的前提下,文中基于重要抽样马尔可夫链模拟提出一种可靠性灵敏度分析新方法.所提方法根据计算失效概率积分表达式,将失效概率对基本变量分布参数的偏导数表征的可靠性灵敏度转化为一个特征函数的条件数学期望形式,该数学期望是以基本变量在失效域中的条件概率密度函数为基础的.然后利用重要抽样马尔可夫链模拟,将计算失效概率的重要抽样样本转化为基本变量落在失效域中的条件样本.最后用特征函数在这些条件样本点处的样本均值估计数学期望,进而完成可靠性灵敏度分析.文中方法的主要优点是效率高,只需要在计算失效概率重要抽样法的基础上增加很少的工作量,即可完成可靠性灵敏度分析.另外,由于该方法未引入线性假设,因此它可以较好地考虑极限状态方程非线性对可靠性灵敏度的影响,大量的算例结果充分证明所提方法的这些优点.     

基于子集抽样的模糊失效概率分析新方法

针对结构失效和安全状态具有模糊性的失效概率分析问题,提出一种基于子集抽样的新方法.所提方法首先将模糊失效域离散为功能函数变化较小的若干子集,然后利用马尔可夫链Monte Carlo法求得各子集上不考虑状态模糊性的随机失效概率,最后利用各子集中功能函数对模糊失效域的隶属度与相应随机失效概率乘积的和,求得模糊失效概率.文中用简单算例和工程算例比较所提方法与Monte Carlo法的效率和精度,结果表明,文中方法在保证计算精度的条件下,具有更高的计算效率.     

复合材料层合板终层失效概率分析的通用生成函数法

采用通用生成函数方法分析复合材料层合板的可靠性。定义了载荷、强度参数通用生成函数和复合算子及相应的性能结构函数,分别构建了各单层板的抗力、抗力序列和系统抗力等通用生成函数。根据终层失效准则建立层合板的可靠性分析模型。在通用生成函数复合运算中,通过K-means聚类和同类项合并技术缩减计算量提高效率。该方法适用于含有众多随机变量(包含非正态随机变量)且功能函数为非线性的结构系统可靠性评估,并考虑了系统中各抗力序列之间因含有相同失效单元,以及抗力序列内部的失效单元共享同一随机载荷源而引起的失效相关性。针对该方法给出算例,可靠度计算值与蒙特卡罗法仿真结果接近。新方法可为复合材料层合板可靠性分析提供一种新思路。     

基于子集模拟法的防爆盖可靠性分析

在实际的可靠性计算中，存在着大量的高维小失效概率问题，而基于马尔科夫链蒙特卡罗子集模拟方法，正是解决此类问题的有效方法。子集模拟方法的基本思想是通过设置许多个具有包含关系的中间失效事件，将很小的结构失效概率转换成多个大的条件失效概率乘积的形式。为了得到防爆盖可靠性分析功能函数的显式表达，通过有限元分析并结合神经网络拟合，研究应力与随机变量变化之间的函数关系，获得防爆盖可靠性分析的功能函数。针对防爆盖高维小失效概率问题，应用子集模拟法，利用马尔科夫链抽取条件样本点来估算条件失效概率，求解负压情况下防爆盖的失效概率。结果表明，子集模拟法具有很高的计算效率，而且又能保证很高的计算精度，同时对于高维非线性的功能函数也有很强的适应性。     

基于混合密度估计的自适应重要抽样可靠性及可靠性灵敏度分析

提出一种高效的基于混合密度函数的自适应重要抽样法,分析结构的失效概率及偏导型可靠性灵敏度.该重要抽样方法运用有限混和密度函数拟合法得到失效域中预抽取样本点的概率密度函数,将之作为重要抽样函数.这些预抽取样本利用马尔可夫链快速模拟得到,相应的重要抽样函数将趋于最优化的重要抽样函数.其次,将所提方法运用到结构可靠性灵敏度的分析中.所提方法具有比传统重要抽样法更高的效率,且可以运用于多模式系统结构的分析,最后给出的算例亦说明文中方法的精度和效率.     

含多个非线性极限状态静定结构的失效概率评估新方法

利用一阶简单边界和二阶窄边界理论分析静定结构失效概率评估问题,分析中给出一般正态随机变量变换为标准正态随机变量的方法以及线性无关化问题;研究非线性功能函数极限曲面的验算点迭代计算问题和线性化问题,提出一种牛顿迭代计算方法。该方法具有计算精度高、收敛速度快的特点,算例结果说明方法的可行性。     

一种考虑失效准则模糊性的时变可靠度分析方法

针对工程结构失效准则不确定性的时变可靠度问题,构造了一种考虑失效准则模糊性的时变可靠度分析方法,可处理模糊失效准则下抗力和荷载随时间变化的可靠性计算问题。该方法首先将模糊失效准则下的时变功能函数随机过程进行离散,然后应用模糊集基本理论,引入新的随机变量,得到不同时间段的等效功能函数,最终将模糊失效准则下的时变可靠性问题转化为常规的可靠性问题,通过一次二阶矩方法求解获得时变可靠度和失效概率。最后以某机械零件和齿轮传动为例,分别得出模糊失效准则下的时变可靠度曲线和失效概率曲线,验证了该方法的有效性。     

重要抽样法误差的计算分析

用大量算例对重要抽样法计算结构失效概率的误差进行了计算分析，给出了误差分布的直方图，并研究了其特性。结果表明，重要抽样法的误差是一种随机误差，可用正态分布来很好描述。通过对计算结果的分析，得到了相对误差ε与抽样次数Ｎ之间的近似关系式，同时也对计算结果的变异系数ＣＯＶ与ε的关系进行了研究，为工程结构失效概率的模拟计算提供了一个保证精度的初步停机准则。     

可靠性灵敏度分析的重要抽样方法

基于重要抽样模拟,提出一种新的求解可靠性参数灵敏度的方法.所提方法依据失效概率对基本变量分布参数偏导数的积分表达式,推导可靠性灵敏度分析的重要抽样计算公式,该公式为一推导的函数在失效域中的数学期望形式,而该数学期望可以利用重要抽样函数获取的落入失效域中的样本来估计.算例结果表明,所提方法在保证同样计算精度的情况下具有比Monte Carlo模拟法更高的计算效率.     

基于Kriging模型的迭代重要抽样方法研究及应用

针对工程结构失效概率求解的复杂性,本文提出了一种高效求解失效概率的基于Kriging代理模型的迭代重要抽样方法。该方法以均值为抽样中心在变量空间中均匀产生初始训练点的实验设计,构建代理模型并形成迭代求解格式,可极大降低失效概率计算成本,并提高计算精度。通过三个数值算例的计算验证表明,采用文中所论述的方法仅需数百次真实函数的调用即可得到结构失效概率的合理估计值,相较于传统的蒙特卡洛法可节省大量的计算成本。     

结构可靠性分析中含交叉项的改进响应面法

针对非线性隐式功能函数的可靠性分析问题,提出一种基于试验设计技术含交叉项的改进响应面法。该方法首先采用基于试验设计的矩估计得到试验点并拟合响应面函数,然后通过计算拟合重要度得出最大贡献试验点并进行补充抽样,选择最佳交叉项,获得了隐式功能函数的更好近似,从而提高了失效概率的计算精度。算例表明该方法应用的广泛性和优越性。     

基于均值一阶Esscher's近似的可靠性灵敏度分析

可靠性灵敏度设计在可靠性设计和修改、可靠性稳健优化设计、可靠性维护等方面均有重要意义.在基于计算截尾概率的Esscher's近似技术的结构可靠性分析方法基础上,利用对非线性极限状态方程在基本随机变量均值点处做一阶泰勒展开的方法,提出计算具有非线性极限状态的结构失效概率方法即均值一阶Esscher's近似可靠性设计方法(Mean-value first order Esscher's approximation,MVFOEA),在此基础上,结合灵敏度分析技术,提出基于均值一阶Esscher's近似的可靠性灵敏度分析方法.基于Esscher's近似技术的结构可靠性分析方法要求基本随机变量相互独立,有矩母函数,并且要求极限状态函数具有显式表达式.由于利用基本随机变量全部的概率信息,而不仅仅是前几阶矩,提出的方法与可靠性分析的矩法相比,在计算失效概率时有较高的精度,通过三个数值算例验证了新方法高的计算精度.     

基于Copula失效相关结构系统的失效概率计算

针对具有相关失效模式的结构系统可靠性分析问题,提出利用Copula计算结构系统的失效概率。Copula函数可以采用多种边缘分布函数来推求联合分布函数,构造随机变量间的相关结构。该方法分别以各失效模式的功能函数值为Copula分析变量,利用MATLAB软件和Monte Carlo模拟法产生的随机抽样数据估计Copula参数,实现各功能函数间的联合概率分布函数的Copula建模,从而可以利用Copula计算结构系统的失效概率。最后用工程算例验证该理论方法的可行性,为具有相关失效模式的结构系统可靠性分析提供新途径。     

基子区间模型的响应面法

提出了基于区间模型的响应面法，它基于区间分析的结构非概率可靠性指标的特性，使得该法无需迭代搜寻抽样中心点及设计验算点，仅需一次抽样的有限次有限元试验便能得到结构功能函数的足够精度的逼近。证明了非概率可靠性指标只可能存在于标准区间向量张成的凸域及其扩展空间中，通过原点和凸域顶点的有限条超射线与失效面的某个交点处，且在数值上等于某一特定支点坐标和绝对值。因此，在结构功能函数逼近完成后，可通过求解有限个一元二次方程，得到结构非概率可靠性指标。算例验证了该法的有效性。     

非整数阶系统可靠性模型

零件的失效程度为[0，1]之间的连续随机变量．系统失效程度为零件失效程度的函数，该函数亦为连续函数。将零件的失效程度变量与系统失效程度函数分别进行离散化．用离散变量代替零件的失效程度变量，用判定表代替系统失效程度函数，对文献[1]进行扩展，建立了同时适用于线性和非线性累积失效系统的非整数阶系统可靠性模型。算例解释了该理论模型的使用方法。并用线性累积失效系统验证了该方法的正确性。     

失效概率全局灵敏度分析的改进重要抽样法

针对结构可靠性分析中如何减小结构失效概率的问题,引入一种基于失效概率的全局灵敏度指标,通过分析指标,可判断基本变量的不确定性如何影响系统失效概率。求解全局灵敏度指标,在H-S方法基础上,提出一种改进估计量与重要抽样法相结合的方法,基本思想是用重要抽样法构造输入变量样本,寻找中间估计量,建立模型输出量和中间估计量;中间估计量和输入变量主效应、总效应之间的关系,然后求得变量基于失效概率全局灵敏度指标。由于所提方法继承了中间估计量的快速收敛性及重要抽样法高效搜索感兴趣区域样本的优点,因此在保证与标准Sobol方法计算结果同等精度的条件下,方法大大减少了对结构功能函数的计算次数,提高了效率,方便对精度和计算时间控制。最后,算例验证所提方法求解基于失效概率的全局灵敏度指标的准确性和高效性。