基于单纯形寻优的响应面可靠性分析方法

结构可靠度计算常采用经典的响应面法拟合隐式功能函数或高维功能函数，而对于强非线性功能函数的实际工程问题，尽管其能够计算出结构可靠度的结果，但此时多项式响应面的拟合精度不够，很容易造成不收敛的现象。为了解决上述问题，将响应面法与单纯形寻优的思路进行结合来探求一种有效的计算方法。本文利用单纯形算法对每次迭代的验算点进行优化；再以优化后的设计验算点为中心进行取样，利用响应面法循环迭代计算；最后，沿着真实响应面逐渐逼近最终的验算点。该方法能够解决高维非线性的隐式极限状态方程可靠度计算收敛性的问题，可以提高计算精度和计算效率，具有一定的工程适用性。     

基于单纯形寻优的响应面可靠性分析方法

结构可靠度计算常采用经典的响应面法拟合隐式功能函数或高维功能函数,而对于强非线性功能函数的实际工程问题,尽管其能够计算出结构可靠度的结果,但此时多项式响应面的拟合精度不够,很容易造成不收敛的现象。为了解决上述问题,将响应面法与单纯形寻优的思路进行结合来探求一种有效的计算方法。本文利用单纯形算法对每次迭代的验算点进行优化;再以优化后的设计验算点为中心进行取样,利用响应面法循环迭代计算;最后,沿着真实响应面逐渐逼近最终的验算点。该方法能够解决高维非线性的隐式极限状态方程可靠度计算收敛性的问题,可以提高计算精度和计算效率,具有一定的工程适用性。     

概率功能度量求解的共轭梯度步长调节法

功能度量法(PMA)由于其稳定高效的特点,适用于概率结构优化设计中概率约束的评定。PMA中改进均值法常用于求解概率功能度量,针对其求解高度非线性功能函数时出现周期振荡和混沌等不收敛现象,提出了一种新的共轭梯度步长调节法(CGS)。该方法基于RMIL共轭搜索方向和自适应步长调节策略提出,新的共轭搜索方向在保证收敛性的前提下加速了迭代进程,而自适应步长调节策略无需了解功能函数凹凸性及非线性程度等先验信息,无需确定步长的合适取值。通过限定步长准则自动选取初始步长,并随迭代过程不断调节,直至最终收敛。多个算例表明,与其他求解方法相比,本文的共轭梯度步长调节法更加高效且稳健。     

结构可靠度FORM方法的混沌动力学分析

引入混沌动力学理论讨论了FORM收敛失败的非线性动力学根源. 给出了几个典 型函数在参数区间上的可靠指标分岔图，展示了极限状态函数经过FORM迭代成为 非线性映射后计算结果的周期振荡、分岔和混沌等复杂动力学现象，计算了非线性映射的 Lyapunov指数. 结果表明，极限状态函数设计点的曲率大小与FORM的收敛性没有简单的联 系，判别FORM迭代计算收敛性的指标是非线性映射的Lyapunov指数.     

有理多项式技术有工程结构可靠度分析中的应用

给出了在相关空间中改进JC方法计算结构可靠指标的迭代格式,并采用有理多项式技术计算功能函数的偏导数,以模拟实际工程中常见的功能函数不能明确的可靠度计算问题。因此,功能函数无论是线性或非线性,显式或隐式,该方法都简单且适用。数值结果表明本文方法具有较好的效率和精度。     

结构拓扑优化ICM法中高效率收敛映射函数MFHEC的选取

本文把ICM方法中的过滤函数和变密度方法中的惩罚函数统称为映射函数,研究了该函数的选取问题,探讨了其选取对于结构拓扑优化优化迭代收敛效率的影响.为此,本文提出了高效率收敛的映射函数构造途径,写出了5类常见的具体映射函数形式,提出同高效率收敛映射函数MFHEC(Mapping function with highly efficient convergence)相配套的优化模型和寻优解法,先是自行比较了同类映射函数的过滤函数和准过滤函数寻优中收敛的快慢,然后相互比较了不同形式映射函数的快滤函数寻优收敛的快慢.以ICM方法求解位移约束下结构体积极小的拓扑优化问题为例,通过数值计算比较,印证了MFHEC函数的高效率收敛性.结果表明：同类函数比较中,快滤函数的收敛速度更快;5种不同类型映射函数比较中,幂函数形式的过滤函数收敛速度更快.最后需要强调的是：本文研究的映射函数的结论,包括ICM方法的过滤函数和变密度方法中的惩罚函数,二者都是同样适用的.     

一种在响应面法中选取样本点的新方法

响应面法中的样本点选取对拟合极限状态曲面的收敛速度及精度至关重要,文中提出了一种区别于通常以插值点为中心展开生成样本点组的新方法:在求解过程中,用插值点逐步替代初始样本点组中距离验算点较远的点,其目的是使所选取的样本点较集中于验算点附近,重新构成下一轮迭代所需的一组样本点,直至满足收敛条件。算例表明,采用新方法可使结构的分析次数显著减少,同时也改善了对于非线性程度很高的极限功能函数求解的收敛性。该方法用于大型复杂结构的可靠度分析中可进一步提高计算效率。     

演化算法求解桁架多目标拓扑优化的收敛速度研究

演化算法能够同时满足结构拓扑优化的前沿领域对全局优化、黑箱函数优化、组合优化和多目标优化的需求,但采用此类算法的可行性与必要性由其收敛性与计算效率决定。本文以应力约束桁架多目标拓扑优化问题为求解对象,致力于揭示在收敛性与计算效率两方面具有竞争力的算法。首先提出评估演化算法求解拓扑优化问题收敛性与计算效率的通用方法,采用穷举法严格推导了典型桁架多目标拓扑优化问题的全局最优解,并采用超体积指标定义了多层次收敛性能准则。最后通过比较研究得到不同收敛性需求下具有最快收敛速度的演化算法,并揭示了具有竞争力的算法机制。本研究为演化算法求解多目标拓扑优化问题的收敛速度奠定了理论基础,同时为高效求解实际工程拓扑优化问题提供算法支持。     

一种求算结构可靠度指标的新方法

为解决结构功能函数在结构设计点附近非线性程度较高时,一次可靠度计算方法(如JC法)不收敛的问题,提出一种新的可靠度计算方法.该算法根据结构可靠指标的几何意义,先将迭代点靠近极限状态面,再通过在极限状态面上搜索下一迭代点,逐渐减小极限状态面上的点到标准正态空间中坐标原点的距离,从而达到收敛的目的.与其他方法相比,该方法不用选取算法参数,在计算效率和鲁棒性方面都有较好的优势,尤其在极限状态函数非线性强的情况下优势更为明显.     

基于可靠度的结构优化的序列近似规划算法

基于可靠度的优化的最直观解法是把可靠度和优化的各自算法搭配一起形成嵌套两层次迭代。为改善其收敛性提高计算效率,人们提出了功能测度法、半无限规划法、单层次算法等多种改进方法。本文对传统结构优化界的经典序列近似规划法改造并扩展应用于求解基于可靠度的结构优化问题,构造该问题的序列近似规划模型和求解过程;其核心思想是在每个近似规划子问题中采用近似可靠度指标对设计变量的线性近似,在优化迭代过程中同步更新设计变量和随机空间中的近似验算点坐标,以达到可靠度分析和优化迭代同步收敛的目标。为了算法的实施,还推导出近似可靠度指标的半解析灵敏度计算公式,编制了程序,最终实现与通用软件的连接。论文用算例证实算法的有效性。     

超椭球模型下结构非概率可靠性指标的迭代算法

迭代算法对于非概率可靠性指标的求解及其优化问题具有重要意义。本文基于不确定参数的超椭球描述,研究求解非概率可靠性指标的迭代算法。针对极限状态方程非线性情况较高时可能存在不收敛的问题,提出一个检测严重迂回振荡的判据,并在HL-RF迭代公式的基础上引入修正解,在一定程度上克服迭代不收敛的问题。数值算例验证了迭代算法的正确性和有效性。     

Structure buckling hybrid reliability analysis of a supercavitating projectile using a model with truncated probability and multi-ellipsoid convex set uncertainties

Structure buckling problems for supercavitating projectiles are often observed in high underwater velocity operating conditions. As a result, it is necessary to perform a structure buckling reliability analysis. It is common that \hboxprobabilistic and nonprobabilistic uncertainty information exist simultaneously. Also, it is reasonable that probability distributions of most random variables in engineering are treated as truncated probability distributions. In this paper, a new hybrid model is proposed, which deals with structure performance function with both truncated probability distribution variables and multi-ellipsoid convex set variables. The model discussed here is adapted for two separate cases in the standard super-sphere space, i.e., limit state surface interferences with a unit super-sphere region or not. The hybrid reliability index is calculated using a modified limit step length iteration algorithm to ensure convergence. Good convergence and validity of the iteration algorithm are verified using numerical examples with highly nonlinear structure performance function. The hybrid model is applied to the structure buckling hybrid reliability analysis of a supercavitating projectile. Results show that structure buckling hybrid reliability index increases with the increase in the ratio of base diameter to cavitator diameter, and decreases with the increase of initial launch velocity. Also, uncertainty degree of cavitator drag coefficient and initial launch velocity should be controlled in demonstration for high structure buckling reliability of supercavitating projectiles.     

An algebraic multigrid solver for Navier-Stokes problems

An efficient numerical method is presented for solving the equations of motion for viscous fluids. The equations are discretized on the basis of unstructured finite element meshes and then solved by direct iteration. Advective fluxes are temporarily fixed at each iteration to provide a linearized set of coupled equations which are then also solved by iteration using a fully implicit algebraic multigrid (AMG) scheme. A rapid convergence to machine accuracy is achieved that is almost mesh-independent. The scaling of computing time with mesh size is therefore close to the optimum.     

一种结构可靠性指标的搜索方法

提出了一种计算结构可靠性指标的搜索方法,即自动变步长搜索方法。该方法克服一次二阶矩方法的缺点,对于非线性功能函数非常有效。数值例题表明：这种方法具有很好的收敛性和较高的计算精度,且其收敛性与初始步长无关,可以用于复杂问题可靠度的分析。     

一种粗粒度并行遗传算法及其应用

提出一种粗粒度并行遗传算法 ,采用多种群遗传策略 ,在逐渐收缩的空间上搜索 ,并且用准精确惩罚函数处理约束 ,保证了算法稳定而迅速地收敛于全局最优解。本文还讨论了算法的分布式计算策略 ,并行计算是在天潮 1 0 0 0 (A)超级并行计算机上完成的 ,利用 PVM系统处理各个处理器间的通讯。算例显示了本算法的计算效率和加速比。     

基于区间模型的结构非概率稳健优化设计

采用区间模型描述不确定参数,在考虑传统约束条件基础上,增加了可靠性指标作为约束条件,研究结构的稳健性优化设计。从非概率可靠性指标的几何意义出发,寻找非概率可靠性指标目标值与不确定参数的波动范围的关系,将非概率的稳健优化设计转化为两层优化模型。对于非线性功能函数,内层优化根据非概率可靠性指标的波动范围最小化功能函数,从而避免了内层优化直接计算非概率可靠性指标难的问题。对于线性功能函数,不确定性参数可以表示为非概率可靠性指标目标值的显示表达式,两层稳健优化转化为确定性的单层优化。该方法优化描述明确清晰,计算公式简便,计算效率高。算例验证了本文所提方法的可行性和正确性。