考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性，对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法，提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法，并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先，考虑随机因素的空间变异性，采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量，并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式；然后，采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量，并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标，从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明，该方法具有较高的计算精度和计算效率；随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感；随着随机场相关偏度和变异性的增大，框架结构的可靠指标逐渐减小，说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

等参局部平均随机场和Neumann随机有限元法

本文提出了二维连续平稳随机场的一种新的表述方法—等参局部平均随机场模型,并将它引入Neumann随机有限元法。算例表明,本文的方法是有效的且能提高精度和计算效率。     

土性参数各向异性随机场的表征与建模方法

土性参数在空间上的相关性具有各向异性,因此对各向异性随机场表征与建模方法的研究具有重要的意义.本文首先通过对相关函数的分析,将各向异性相关的问题归结到相关距离函数的探讨上,给出了一种描述参数各向异性相关的方法;其次分析了 目前常用的两种随机场反演方法在处理各向异性问题所面临的问题,(1)局部平均划分法只适合横观各向同性随机场的生成,难以处理任意的各向异性问题,(2)矩阵分解法反演随机场时,随机场网格数会受到计算机计算能力的限制,难以处理大型的随机场反演问题.针对以上两点问题,基于相关函数的快速衰减特性改进了矩阵分解法,并将改进的矩阵分解法与局部平均划分法进行了反演精度对比,同时用改进的矩阵分解法反演了旋转横观各向同性随机场,结果表明用改进的矩阵分解法处理各向异性问题是适用的.     

基于有限材料参数试验数据的横观各向同性板结构随机有限元分析与验证

当材性试验数据有限时，为了研究各力学参数的离散性和不确定性对结构性能计算的影响，需要对材料参数采用随机变量建模并基于概率理论构建刚度矩阵的随机模型。为此，首先将随机弹性张量分解为一组基张量和由材料参数构成的随机系数的线性组合，以考虑刚度矩阵各分量间的统计相关性；并利用最大熵原理确定由上述随机系数组成的随机向量的概率密度函数。采用基于Metropolis-Hasting算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法用于计算与之相关的概率模型的拉格朗日乘子，并通过Matlab生成材料参数的随机样本。最后采用蒙特卡罗随机有限元法对横观各向同性材料构成的板式结构在不同荷载下的力学行为进行了数值分析。以刨花板材料为典型案例，与试验结果对比，验证了本文方法的效果和实用性。     

工程中的随机有限元方法

随机有限元法是在传统有限元法基础上发展起来的用于解决随机问题的一种有效的数值方法,近年来得到了广泛的关注和发展.在总结了国内外大量相关文献的基础上,对最近一段时期随机有限元方法的研究情况进行了较为详细的评述和讨论,首先给出了各种随机场的离散模型,然后对各种相关的研究方法和研究进展进行了系统总结,最后对随机有限元中尚需完善发展的几个问题进行了讨论.     

基于广义密度演化方程的结构随机最优控制

基于广义密度演化方程和Pontryagin极大值原理,推导了一般随机激励作用下闭环系统随机最优控制中状态向量和控制力向量的物理解答,讨论了基于二阶统计量评价的控制律参数设计准则。以物理随机地震动模型为输入,考察了单层框架结构主动锚索系统的随机最优控制,并与经典LQG控制做了比较分析。结果表明,本文提出的随机最优控制方法具有适用性和有效性。     

粘弹性随机有限元

以近似不可压缩粘弹增量有限元和摄动法为基础，利用增量法处理遗传积分，应用参数摄动考虑随机性，采用局部平均方法对随机场进行离散，通过相关结构分解减少计算量，发展了一种粘弹性随机有限元方法。研究表明，尽管粘弹性材料本构关系具有时间相依性，其随机摄动格式并不存在“长期项”的影响。应用该方法进行粘弹性结构的随机模拟，程序实施简单，计算效率较高，精度较高。     

摄动有限元法在结构动力模型修改中的应用

本文将摄动理论与有限元法相结合,提出了用于小变参数结构分析的摄动有限元法(P-FEM),导出了在结构参数发生小变化的情况下,结构摄动单元矩阵的一般公式及结构的动特性随结构参数变化的二阶渐近展开式,并将这一结果运用于结构的动力模型修改中,提出了一种新的适合于工程应用的结构动力模型修改方法,把这一方法应用于实际的复杂结构动力模型修改中,获得了十分满意的结果.     

地震动随机场投影展开法

本文发展了随机场投影展开方法,对地震动随机场进行变界近似解析展开。地震动采用自功率谱与具有高斯指数衰减的相关函数模型。本文方法只须求解一次随机场特征值问题,具有简单和展开误差小的特点,非常适应结构多点随机输入分析。     

随机结构动力特性分析格林函数法

在考虑材料参数和几何参数小变异情况下,采用一阶近似方法将随机杆件动力特性分析的控制微分方程分解为关于动力特性均量和偏量的两组控制微分方程,然后利用这两组方程在形式上与静力问题控制微分方程的相似性,采用静力问题基本解以及域外布设虚荷载方法和多域耦合技术,提出了随机结构动力特性分析格林函数法.从数值算例可以看出,在小变异情况下,本文方法的结果与Monte-Carlo法的结果相当吻合,计算精度较高;在计算效率方面,本文方法的计算量远少于摄动随机有限元法的计算量.     

拟平稳高斯随机载荷作用下结构的可靠性估计

本文指出,许多随机载荷,诸如大气紊流、地面强风中紊流、路面不平度及海洋波浪产生的随机载荷,均可模型化为拟平稳高斯随机过程或场。在这种随机载荷作用下,线性结构的应力响应是一个拟平稳高斯随机场,可用一个含慢变参数的空间—时间互谱密度函数与一个这些慢变参数的联合概率密度函数来描述。在此情形下,结构的疲劳寿命与首次超越破坏的时间的概率密度函数与可靠性函数可由平稳高斯随机载荷下的相应结果加权平均得到,其权函数为应力响应谱密度函数中的慢变参数的联合概率密度函数。这样,大大地简化了在一大类统计特性缓慢变化的非平稳随机载荷作用下的结构的寿命与可靠性估计问题。     

薄壁圆筒壳初始几何缺陷不确定性量化的极大熵方法

针对薄壁圆筒壳结构轴压屈曲载荷的缺陷敏感性以及真实几何缺陷的不确定性,提出一种基于实测缺陷数据和极大熵原理的初始缺陷建模与屈曲载荷预测方法。首先,将初始几何缺陷视为二维随机场,并利用实测缺陷数据和Karhunen-Loève展开法将初始缺陷的随机场建模转化为随机向量的建模;其次,利用极大熵方法确定随机向量的概率分布;最后,基于所构建的初始缺陷随机模型,利用MCMC抽样方法和确定性屈曲分析方法,进行随机屈曲分析并给出基于可靠度的屈曲载荷折减因子。数值算例表明,与直接假设随机场相关结构的方法相比,本文方法的结果是对薄壁圆筒壳屈曲载荷的一个更无偏估计。     

具有随机参数的含裂纹板弯曲应力强度因子的统计分析

本文首次应用随机有限元法研究了具有随机参数的含裂纹板裂纹尖端弯曲应力强度因子的统计性质。文中首先给出了杂交模式的裂纹尖端奇异单元的刚度矩阵,然后基于随机场的局部平均理论和一阶泰勒展开得到了应力强度因子均值和方差的计算公式。作为数例,详细讨论了杨氏模量、泊松比及板厚度的不确定性对应力强度因子的影响。     

具有随机参数的含裂纹板弯曲应力强度因子的统计分析

本文首次应用随机有限元法研究了具有随机参数的含裂纹板裂纹尖端弯曲应力强度因子的统计性质。文中首先给出了杂交模式的裂纹尖端奇异单元的刚度矩阵,然后基于随机场的局部平均理论和一阶泰勒展开得到了应力强度因子均值和方差的计算公式。作为数例,详细讨论了杨氏模量、泊松比及板厚度的不确定性对应力强度因子的影响。     

多自由度非线性随机参数振动系统响应分析的概率摄动有限元法

提出了一般概率摄动有限元法，并用以解决了具有向量值和矩阵值函数的多自由度非线性随机结构系统承受随机激励的响应分析问题，应用Kronecker代数，矩阵微分理论，向量值和矩阵值函数的二阶矩技术，矩阵摄动理论和概率统计方法系统地扩展了国际上通用的随机有限元法，随机变量和系统导数很方便地排列到二维矩阵中，得到了优美的数学表达式。     

大体积混凝土结构随机温度徐变应力计算方法研究

首次尝试将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机温度徐变应力的计算．综合考虑各种随机因素，对于由材料物理参数随机性引起的随机温度场的影响，本文给出了相应于初应变隐式解法的随机有限元计算方法；对于周期平稳随机温度场对徐变应力场的影响，本文提出了复模量隐式解法，并首次视复频响应函数为材料参数的随机函数，给出了相应的复频响应－随机有限元列式；而对于一般非平稳绝热温升温度场的影响，本文提出了参数调幅逐段简化的方法．本文方法有效地克服了前人不能考虑材料参数随机性或需弹模不随时间变化的局限性     

小样本数据下圆柱薄壳初始缺陷不确定性量化的极大熵方法

具有不确定性特征的初始缺陷被认为是导致薄壳结构实际临界载荷值与理论解不相符并呈现分散特征的主要原因.对实际薄壳结构初始缺陷的建模至少需要考虑两个方面的不确定性量化,一是对缺陷分布形式和幅值等固有随机性的量化,二是对小样本量和不准确测量所导致缺陷统计量的不确定性的量化.本文在利用随机场的Karhunen-Loeve展开法对薄壳初始几何缺陷建模的基础上,提出一种基于极大熵原理的缺陷建模方法.首先,采用极大熵分布来估计Karhunen-Loeve随机变量的概率密度函数,以适应不能使用高斯随机场进行缺陷随机场建模的情况.随后,通过将经典的等式约束极大熵模型扩展为区间约束极大熵模型,实现对实际工程中仅能获得少量薄壳结构几何缺陷样本数据所导致的认知不确定性的量化.最后,将所提方法用于对国际缺陷数据库的A-Shell进行缺陷建模和临界载荷预测.研究表明,所提基于区间约束极大熵原理的随机场建模方法在能够有效表征实测数据高阶矩信息的同时,还具备量化小样本数据导致的认知不确定性的能力,并且高斯随机场模型和基于等式约束极大熵原理的随机场模型是本文所提建模方法的两种特殊情况.     

随机荷载作用下随机结构线性反应的概率密度演化分析

提出了随机荷载作用下随机结构线性静力反应的概率密度演化方法。基于力学平衡方程,导出了随机荷载作用下随机结构反应的状态方程,进而引入扩展状态向量,建立了随机荷载作用下的随机结构静力反应的概率密度演化方程,讨论了其差分数值求解技术,进行了八层框架结构在随机荷载作用下的反应的算例分析,在单一随机参数结构的情况下,与随机结构反应的精确解答进行了对比;对于多个随机参数结构随机反应,则与MonteCarlo分析结果进行了比较,研究表明,本文提出的方法具有很高的精度及良好的实用性。     

基于概率配点法的岩土材料参数随机场及其响应分析

概率配点法是进行不确定性问题分析的一种有效方法。通过对输入参数场进行Karhunen-Loeve展开,将其表示为一系列独立随机变量在不同权重下的线性组合,再以与之相同的随机变量组合形成混沌多项式展开对输出随机场进行分解,通过某种算法选取随机变量的值,将其作为插值点的组合(配点),在这些配点上,概率方程演化为一个确定性问题方程。由此,可以直接利用现有软件或者确定性问题计算程序进行求解,生成混沌多项式的系数矩阵后,即可得到该随机问题的各阶统计矩,从而实现参数随机场的不确定性分析。本文将该方法引进岩土工程材料参数随机场,将体积模量视为输入随机场,位移视为输出场,分别进行了弹性及塑性变形计算。结果表明该方法极大地降低了随机问题的求解难度,与MC法(Mento Carlo)相比,减少了运算消耗,提高了计算效率,具有明显的优越性。     

随机结构系统的一般实矩阵特征值问题的概率分析

由于工程实际结构的复杂性和所用材料在统计上的离散性以及测量、加工、制造误差的存在，必然导致具有随机参数的随机结构振动系统，按结构参数的性质来划分，随机振动问题包括两方面内容：(1)确定结构问题；(2)随机结构问题。本文以现代数学理论为依托，研究了随机结构系统的一般实矩阵的特征值问题。根据Kronecker代数、向量值和矩阵值函数的灵敏度分析、一般二阶矩法和概率摄动技术给出了计算随机结构系统的一般实矩阵的特征值和特征向量的数值方法，可以有效地得出随机结构系统的一般实矩阵的特征向量的统计量，发展了2D矩阵值函数的随机结构系统的特征值问题概率分析理论。