随机响应面法最优概率配点数目分析

系统地研究随机响应面法采用线性无关原则选取概率配点的优越性,给出了基于线性无关原则选取概率配点的流程图,比较了基于回归方法和基于线性无关原则选取概率配点的优缺点。算例结果表明,基于回归方法选取概率配点时,配点数目应保证Hermite系数矩阵达到满秩,此时随机响应面法的计算精度才能得到保证,计算效率也远远高于传统的蒙特卡洛模拟方法。基于线性无关原则选取概率配点的随机响应面法在保证计算精度的同时,其计算效率远远高于基于回归方法选取概率配点的随机响应面法,它是结构可靠度分析一种有效的方法,尤其适用于极限状态方程不能用显式函数表达的复杂结构可靠度问题。研究成果为随机响应面法最优概率配点数目的确定奠定了一定的基础。     

基于逐步回归分析的随机响应面法

制约随机响应面法广泛应用的重要原因在于响应面展开式中的待定系数过多,计算效率不高.本文研究建立了改进的随机响应面法.首先,利用Nataf变换将给定边缘累积分布函数的相关随机变量转变为独立标准正态随机变量,进而将结构随机响应量描述为独立标准正态随机变量的混沌多项式展开式;然后,根据线性无关原则选取最优概率配点,并引入逐步回归分析剔除响应面展开项中的次要项,从而大幅减少展开式中的待定系数.算例分析表明,该方法具有较高的计算精度和效率.     

随机结构有限元分析的递推求解方法

提出了一种新的谱随机有限元分析方法——递推求解方法。该方法将随机结构的随机响应表示成非正交多项式展式，建立了和摄动法类似的一系列确定的递推方程，并通过确定性有限元方法对这些递推方程进行静力问题求解。算例表明，当随机量出现较大涨落时，计算结果相对于传统摄动法有不小的改进。     

基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化

目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件, 而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素, 计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力. 为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征, 本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确定性量化数理模型与算法程序. 该方法分别利用Karhunen-Loeve展开与多项式混沌展开表达输入随机参数与输出响应量, 同时利用伽辽金投影方法将随机热磁对流控制方程解耦为一组可以应用有限元修正方法求解的确定性控制方程, 并对输出响应量多项式混沌进行求解, 最后采用随机投影法求解相应的确定性控制方程中的混沌系数, 得到输出响应量的统计特征与混沌效应. 热磁对流不确定性量化表明多孔介质孔隙率不确定性通过控制方程演化, 进而影响着多孔介质方腔内顺磁性流体热磁对流, 顺磁性流体热磁对流呈现出显著的混沌效应. 与蒙特卡罗法预测结果相比, 两者计算结果吻合良好, 但侵入式混沌多项式展开法计算量显著减少.      

随机结构有限元分析的递推求解方法的改进

将随机结构有限元分析的递推求解方法和伽辽金投影方法相结合,提出了求解随机静力响应的改进的递推求解方法。利用随机收敛的非正交多项式展开表示由于材料、外部荷载或构件几何尺寸的随机性导致的结构随机响应。采用递推求解方法得到响应多项式展开的初始系数,并运用定义的数学算子显式地表达出来。然后,通过定义修正系数,应用伽辽金方法对随机力平衡方程在非正交多项式基上进行投影,得到了和响应展开阶次个数相同的确定的有限元方程,并进行求解得到了修正系数。数值算例表明,通过对递推求解方法中响应表达式系数的修正,以很小的计算代价较大地提高了随机响应的计算精度;与基于正交多项式展开的随机有限元方法相比,在精度相当的前提下新方法耗费的计算时间大大降低。     

基于分裂法及Hermite多项式逼近的随机有限元

针对随机结构响应的统计矩、可靠性、灵敏度分析问题,提出了一种新的基于Hermite多项式逼近的随机有限元方法.所提方法利用分裂法将多维响应函数问题转换成单维问题,并采用Hermite多项式逼近单随机变量的响应函数,Hermite多项式系数由Gauss-Hermite积分法求解,最后利用Monte-Carlo法求解显式化后的响应函数的统计矩、失效概率、灵敏度.本文方法简单实用,不用考虑计算导数和设计点问题,因此可十分方便的用于结构的概率分析.文中算例充分说明了所提方法的合理性与可行性.     

基于Nataf变换的层递响应面法分析结构可靠度

针对现有的随机响应面法(SRSM)和层递响应面法(CRSM)存在的局限性,本文结合预处理随机Krylov子空间法,建立了基于Nataf变换的向量型层递响应面法,并应用于含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析。首先,利用预处理随机Krylov子空间的层递基向量近似展开结构的总体节点位移向量,建立向量型层递响应面;然后,根据Nataf变换建立非高斯型互相关随机变量与独立标准正态随机变量之间的关系式,将独立标准正态空间内由Hermite多项式的根组合形成的概率配点变换成非高斯空间内的概率配点,并通过回归分析确定层递响应面的待定系数。计算结果表明,本文建立的CRSM属于向量型响应面法,能较好地处理含非高斯型互相关随机变量的结构可靠度分析问题,计算精度和效率均较高,且具有良好的全域性。     

基于稀疏网格配点法的边坡稳定可靠度分析

提出了基于稀疏网格配点法的边坡可靠度分析方法;利用有限元强度折减法计算了边坡安全系数,再通过稀疏网格配点法构造代理模型,将隐式功能函数转为显式功能函数,从而降低了有限元计算次数。在此基础上结合蒙特卡罗方法计算边坡失效概率,给出了计算流程,并编写了相应的MATLAB程序。最后以一显式功能函数问题为例验证了稀疏网格配点法的有效性,并以两个边坡问题为例研究了所提方法在边坡可靠度中的应用。结果表明,虽然1阶Smolyak配点法相比2阶Smolyak配点法计算量小,但后者更适用于边坡可靠度分析。所提方法能够对考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度进行分析,计算结果与拉丁超立方抽样方法保持一致,计算精度较高,为进行复杂的边坡可靠度分析提供了一条有效的途径。     

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。     

Legendre积分法在随机有限元法中的应用

将Legendre积分法应用于随机结构的有限元分析，针对非线性问题，建立基于Legendre积分法的随机有限元列式。选择不同的Legendre积分点数目进行算例分析，并用Monte—Carlo法的计算进行对比研究，考察该方法的有效性。计算结果表明本文提出的Legendre积分随机有限元有很高的计算效率，在精度上，较少的积分点在一阶矩、二阶矩计算上即有较高的精度，在积分点数较多时，三阶矩、四阶矩也有较高的精度。     

An extended stochastic response surface method for random field problems

An efficient and accurate uncertainty propagation methodology for mechanics problems with random fields is developed in this paper. This methodology is based on the stochastic response surface method (SRSM) which has been previously proposed for problems dealing with random variables only. This paper extends SRSM to problems involving random fields or random processes fields. The favorable property of SRSM lies in that the deterministic computational model can be treated as a black box, as in the case of commercial finite element codes. Numerical examples are used to highlight the features of this technique and to demonstrate the accuracy and efficiency of the proposed method. A comparison with Monte Carlo simulation shows that the proposed method can achieve numerical results close to those from Monte Carlo simulation while dramatically reducing the number of deterministic finite element runs. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10602036). The English text was polished by Yunming Chen.     

Efficient stochastic finite element methods for flow in heterogeneous porous media. Part 2: Random lognormal permeability

Efficient and robust iterative methods are developed for solving the linear systems of equations arising from stochastic finite element methods for single phase fluid flow in porous media. Permeability is assumed to vary randomly in space according to some given correlation function. In the companion paper, herein referred to as Part 1, permeability was approximated using a truncated Karhunen-Loève expansion (KLE). The stochastic variability of permeability is modeled using lognormal random fields and the truncated KLE is projected onto a polynomial chaos basis. This results in a stochastic nonlinear problem since the random fields are represented using polynomial chaos containing terms that are generally nonlinear in the random variables. Symmetric block Gauss-Seidel used as a preconditioner for CG is shown to be efficient and robust for stochastic finite element method.     

随机杆系结构几何非线性分析的递推求解方法

建立了随机静力作用下考虑几何非线性的随机杆系结构的随机非线性平衡方程. 将和 位移耦合的随机割线弹性模量以及随机响应量表示为非正交多项式展开式，运用传统的摄动方法获 得了关于非正交多项式展式的待定系数的确定性的递推方程. 在求解了待定系数后，利用非 正交多项式展开式和正交多项式展开式的关系矩阵，可以很方便地得到未知响应量的二阶统计矩. 两杆结构和平面桁架拱的算例结果表明，当随机量涨落较大时，递推随机有限元方法比基于 二阶泰勒展开的摄动随机有限元方法更逼近蒙特卡洛模拟结果，显示了该方法对几何非线性 随机问题求解的有效性.     

Eléments finis stochastiques en élasticité linéaireA stochastic finite element method in linear mechanics

The stochastic finite element method presented in this Note consists in representing in a probabilistic form the response of a linear mechanical system whose material properties and loading are random. Each input random variable is expanded into a Hermite polynomial series in standard normal random variables. The response (e.g., the nodal displacement vector) is expanded onto the so-called polynomial chaos. The coefficients of the expansion are obtained by a Galerkin-type method in the space of probability. To cite this article: B. Sudret et al., C. R. Mecanique 332 (2004).     

A computational strategy for the random response of assemblies of structures

This paper presents a dedicated approach to the calculation of the random response of assemblies with uncertain interface characteristics. The random response is constructed using a polynomial chaos expansion (PCE). A decomposition of the assemblies into substructures and interfaces is defined and associated with a dedicated computational strategy which leads to a local/global algorithm enabling the treatments of the substructure and of the interface problems to be uncoupled. Since the only uncertain parameters are those which appear in the interface equations, this approach results in a drastic reduction of the computational costs. This paper first presents the classical stochastic finite element strategy for this kind of problem, then details the proposed dedicated approach. The applications concern structures assembled with uncertain elastic bonded joints. The proposed approach is compared to the Monte Carlo method and to the stochastic finite element method.