结构疲劳寿命分析的模糊凸集模型

针对刚性凸集模型在表达实际参数不确定性时的局限,提出了寿命参数的模糊集合模型及寿命估计方法.根据区间模型的内切和外接椭球确定了模糊集合边界的内、外缘及超椭球尺度参数的隶属函数,建立了疲劳寿命估计的模糊约束集.提出了基于Taylor二次展式和Lagrange条件极值法的寿命估计方法,构建了疲劳寿命的模糊极大集和模糊极小集.给出了模糊凸集约束下疲劳寿命极值求解的模拟算法.通过工程算例,对模糊凸集方法、凸集方法和概率方法进行了比较,结果表明,当统计数据缺乏时,模糊集合方法更贴切实际,计算结果更准确合理,是对凸模型方法和概率方法的发展和完善.     

结构疲劳寿命估计的集合理论模型

对于材料性质和载荷具有不确定性结构进行疲劳寿命估计时,结构疲劳寿命往往是这些不确定性变量的函数.以凸分析和区间数学为理论基础,将这些不确定变量用椭球和区间定量化,基于Taylor级数展开,提出了近似估计结构疲劳寿命的非概率集合理论模型—凸模型方法和区间分析方法.它们克服了概率方法需要预先知道不确定变量的概率分布密度或大量统计数据的局限性,并且计算量小.通过数值算例,将凸模型方法、区间分析方法与概率方法进行了比较研究,数值计算结果表明了这两种非概率方法对线性及非线性形式的结构寿命估计均能提供令人相当满意的精度.     

基于凸集模型的结构地震多维易损性分析

将凸集模型应用于结构的地震多维易损性分析。建立钢筋混凝土框架结构模型，选择最大层间位移角和最大层加速度两种参数建立多维性能极限状态方程。通过平均信息熵理论，获得两种参数的区间估计。考虑椭球模型和区间模型两种形式的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其映射到凸集空间内，建立结构地震响应的凸集模型。将凸集变量样本点代入极限状态方程，进行了易损性分析。采用概率模型进行对比计算，研究表明，与概率模型相比，当PGA较小时，凸集模型的破坏概率较大，而PGA较大时，凸集模型的破坏概率较小；椭球模型和凸集模型的分析结果差距较小，在各个PGA下破坏概率差值仅为0.05~0.1，因此可以不考虑凸集类型不同对易损性分析结果的差异。     

基于凸集合模型的非概率可靠性研究

研究了结构不确定参量用超椭球凸集描述情况下的非概率可靠性问题，提出了一个可靠性指标，可用于度量超椭球凸集模型与区间变量共存情况下的结构安全程度；给出了该指标的求解算法；设计了超椭球凸集模型的Monte Carlo仿真算法，通过算例比较了该指标与传统概率可靠性指标之异同。     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其转换到凸集空间内，得到凸集变量的样本点；将凸集变量样本点代入极限状态方程，从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型；利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解，统计结果的最大值和最小值，得到失效概率的上、下界，研究了凸集变量的个数对结果的影响，通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性；通过三个算例验证了计算结果的精度，并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高；凸集模型的类型会对结果产生较大影响；为使结果趋于稳定，椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型；若凸集样本点数目相同，椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小，稳定性高于区间模型。     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其转换到凸集空间内，得到凸集变量的样本点；将凸集变量样本点代入极限状态方程，从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型；利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解，统计结果的最大值和最小值，得到失效概率的上、下界，研究了凸集变量的个数对结果的影响，通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性；通过三个算例验证了计算结果的精度，并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高；凸集模型的类型会对结果产生较大影响；为使结果趋于稳定，椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型；若凸集样本点数目相同，椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小，稳定性高于区间模型。     

基于非概率可靠性的结构优化设计研究

基于不确定参量的凸集合描述,研究了考虑非概率可靠性约束时,结构优化设计模型的求解问题。由于非概率可靠性指标是用一个极小极大模型来定义的,故以该指标作为设计约束,将得到一个嵌套的二级优化模型。为了求解该模型,提出了一种序列线性化的计算方法。利用非概率可靠性分析的拉格朗日乘子,逐步构造可靠性指标的一阶近似,通过序列线性规划法求解二级优化问题。该算法可用于区间变量和超椭球凸集模型并存的情形,具有较好的适用性。论文给出了主要的敏度计算公式,并通过简单算例对所提算法进行了验证。     

基于凸集模型结构稳健性优化设计

不确定性因素大量存在于实际工程中,采用凸集变量描述结构不确定性参数,进一步将凸集模型划分为超椭球模型和区间模型。由试验点数量确定选用两类模型的标准,从本质上指明了两类模型的区别。分别对两类模型中不确定变量进行标准化,通过对比分析,阐述了基于超椭球模型和区间模型优化方法和求解过程的共同点与区别。借用超椭球模型分析思路,对优化过程中的变量进行分类,为突出稳健性优化设计特点,考虑约束条件从特殊到一般,重点描述基于区间模型稳健性优化的基本思想方法。采用目标性能分析方法,强调指定可靠性指标的唯一性,给出了稳健性优化的具体算法、求解步骤和迭代收敛准则。对实际算例进行了分析与求解,与已有结果比较,验证了本文方法的正确性和有效性。     

基于Taylor展式的不确定结构复特征值问题两种非概率方法比较研究

代替传统的处理不确定问题的概率统计方法,将利用区问数学和凸模型理论研究具有有界不确定参数的非比例阻尼结构复特征值所在区域问题．区间数学将有界不确定结构参数用超长方体即区问向量进行定量化,而凸模型理论则用椭球对有界不确定参数进行定量化．在不用知道不确定变量的概率统计特性的条件下,区间分析方法和凸模型理论都可以确定出有界不确定结构参数的非比例阻尼结构复特征值所在区域．通过数学证明和数值算例来说明,在凸模型理论中的椭球在由区间分析中的超长方体—区间向量来确定的条件下,由区间数学所确定出不确定结构复特征值实部和虚部的宽度要比凸模型所确定出的范围的宽度要小,而这正是工程技术人员所要求的结果。     

结构静力位移的非概率凸集合理论模型的摄动数值算法

将非概率凸集合理模型与有限元摄动理论相结合提出求解有界不确定参数结构静力位移所在集合上下界的摄动数值算法。由于不需计算导数，故所提出的方法不仅可以拓广非概率凸集合理论模型的适用范围，而且可以提高计算效率。     

基于凸模型和伪概率分布的不确定性结构响应分析

针对传统凸模型方法分析不确定性结构时仅给出结构响应边界的局限性,论文结合基于体积比的伪概率度量和一次二阶矩提出一种结构响应不确定性量化的新方法.该方法在准确求解不确定性结构响应上下界的同时,给出了结构响应在上下界内的伪概率分布.首先利用椭球凸模型对结构不确定性进行建模,结构响应关于不确定性参数的传播方程将椭球分割成两个区域,则分割区域体积与椭球域总体积之比可作为伪概率来度量结构响应的不确定性;其次,用一次二阶矩法序列求解结构响应不确定性传播方程,有效获取最可能展开点及相应分割区域的近似体积.最后,通过一个典型的六杆桁架结构算例与传统凸模型方法和蒙特卡洛法进行比较,验证了论文方法对不确定性结构响应量化的有效性和优越性.     

Structural eigenvalue analysis under the constraint of a fuzzy convex set model

In small-sample problems, determining and controlling the errors of ordinary rigid convex set models are difficult. Therefore, a new uncertainty model called the fuzzy convex set (FCS) model is built and investigated in detail. An approach was developed to analyze the fuzzy properties of the structural eigenvalues with FCS constraints. Through this method, the approximate possibility distribution of the structural eigenvalue can be obtained. Furthermore, based on the symmetric F-programming theory, the conditional maximum and minimum values for the structural eigenvalue are presented, which can serve as non-fuzzy quantitative indicators for fuzzy problems. A practical application is provided to demonstrate the practicability and effectiveness of the proposed methods.     

基于减基概念的凸集结构可靠性分析方法

针对椭球凸集参数域结构的可靠性分析问题,提出了一种基于减基概念的快速求解方法。首先,将椭球参数域进行坐标正交变换,获得标准的椭球域及其相应的矩形域,在矩形域采样且通过坐标逆向变换获得原椭球参数域的样本参数点集,并以此构建结构的减基空间及其相应的减基算法;随后,在标准椭球域产生均匀的等概率抽样点,并通过坐标逆向变换和相应的减基算法进行蒙特卡洛减基模拟来分析结构的可靠度及其可靠域。由于是在低维的逼近空间中进行椭球参数域结构的位移向量解分析,故而较之有限元法能够获得较高的计算效率。算例测试验证了本文方法的有效性。     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型

工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴非比例循环荷载,在长期动力载荷作用下结构构件的失效主要为多轴非比例疲劳破坏.文中基于圆管薄壁试件在拉-扭复合加载情况下的多轴疲劳试验结果,对比了广泛讨论的Kandil-Brown-Miller(KBM)模型和Fatemi-Socie(FS)模型对多轴非比例疲劳寿命的预测能力,分析了非比例加载条件引起多轴疲劳附加损伤的原因;针对FS模型对不存在非比例附加强化的材料多轴疲劳寿命预测的不足,提出了一个能考虑非比例加载路径变化和材料附加强化效应双重作用的非比例影响因子,参照FS准则提出了一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型.利用5种材料的多轴非比例疲劳试验数据对该模型进行了试验验证,结果表明:采用文中提出的临界面模型预测的多轴非比例疲劳寿命与试验结果符合较好,预测精度优于FS模型;同时,该模型对不存在非比例附加强化的材料的多轴疲劳寿命预测表现出更好的适用性,且能有效的提高不同类型材料的多轴非比例疲劳寿命预测精度.     

Interval analysis method and convex models for impulsive response of structures with uncertain-but-bounded external loads

Two non-probabilistic, set-theoretical methods for determining the maximum and minimum impulsive responses of structures to uncertain-but-bounded impulses are presented. They are, respectively, based on the theories of interval mathematics and convex models. The uncertain-but-bounded impulses are assumed to be a convex set, hyper-rectangle or ellipsoid. For the two non-probabilistic methods, less prior information is required about the uncertain nature of impulses than the probabilistic model. Comparisons between the interval analysis method and the convex model, which are developed as an anti-optimization problem of finding the least favorable impulsive response and the most favorable impulsive response, are made through mathematical analyses and numerical calculations. The results of this study indicate that under the condition of the interval vector being determined from an ellipsoid containing the uncertain impulses, the width of the impulsive responses predicted by the interval analysis method is larger than that by the convex model; under the condition of the ellipsoid being determined from an interval vector containing the uncertain impulses, the width of the interval impulsive responses obtained by the interval analysis method is smaller than that by the convex model.The project supported by the National Outstanding Youth Science Foundation of China (10425208), the National Natural Science Foundation of China and Institute of Engineering Physics of China (10376002) The English text was polished by Keren Wang.     

疲劳裂纹扩展寿命的可靠性及灵敏度分析

将影响结构疲劳裂纹扩展寿命的不确定因素视为随机变量,用随机有限元和可靠性分析理论,从概率论和数理统计的角度出发对含裂纹平面结构的断裂过程进行了可靠性分析。通过疲劳裂纹扩展寿命可靠度对随机变量的灵敏度分析,可以看出不同因素对疲劳裂纹扩展寿命可靠度影响的差别很大。