基于鞍点估计及其改进法的可靠性灵敏度分析

鞍点估计可以直接逼近非正态变量空间中线性功能函数概率分布, 进而得出功能函数的失效概率. 在此基础上进行了基于鞍点估计的可靠性灵敏度分析. 对于非线性功能函数, 尤其是强非线性功能函数, 基于鞍点估计进行可靠性及灵敏度分析时存在较大的误差, 为此建立了基于鞍点估计的改进方法------鞍点线抽样方法的可靠性灵敏度分析. 在标准化的变量空间中利用线抽样方法的样本点将系统失效概率转化为一系列线性响应功能函数失效概率的平均值, 从而可靠性灵敏度转化为一系列线性响应功能函数的失效概率对随机变量分布参数偏导数的平均值, 再采用鞍点概率估计方法直接估计非正态变量标准化空间中这一系列线性响应功能函数的失效概率及可靠性灵敏度. 通过比较两种方法的基本思想、实现过程和算例结果可以发现: (1) 第1种方法只适用于线性程度较好的功能函数的情况, 其误差主要来源于非线性极限状态函数的线性化; (2) 改进方法给出的是失效概率及失效概率对随机变量分布参数偏导数的估计值, 这些估计值随样本点数的增加而趋于真值, 并且该方法可以考虑功能函数的非线性对失效概率的影响, 因此具有广泛的适用范围.      

二维联合概率分布函数构造方法对结构串联系统可靠度影响分析

简要介绍了两种构造联合分布函数近似方法：基于Pearson相关系数的近似方法P和基于Spearman相关系数的近似方法S。推导了基于直接积分方法的串联系统失效概率计算公式,提出了两构件功能函数间负相关时串联结构系统失效概率上限值的计算公式。以理论联合概率分布函数是二维极值分布为例研究了两种近似方法在串联系统可靠度计算中的精度。结果表明,两种近似方法能够有效地计算串联结构系统可靠度,且精度很高,为不完备概率信息条件下串联结构系统可靠度分析提供了一条有效的途径。当两构件的功能函数正相关时,两种近似方法误差随串联系统失效概率的减小而增加,但近似方法与精确方法系统失效概率的差别最大也不会超过2倍;当两构件的功能函数负相关时,两种近似方法误差随系统失效概率的减小而减小,但两种近似方法的失效概率几乎与精确解一样。此外,两种近似方法误差不是随构件间相关性的增加而单调增加,而是存在一极大值。     

对称抛物型模糊变量下的可靠性及灵敏度分析

当模糊变量的隶属函数为正态型时,可以将模糊随机可靠性及可靠性灵敏度转化为随机可靠性及可靠性灵敏度,并利用复合函数求导法则求解模糊随机失效概率对正态型隶属函数分布参数的灵敏度.对于对称抛物型隶属函数,文中提出了"改进最大最小"法和"改进等面积"法两种近似等价正态化方法,从而将模糊随机可靠性问题转换为随机可靠性问题,并利用线抽样方法分析之.算例结果表明,由于"改进最大最小"法所得的等价正态型隶属函数能在函数图形尾部更好地近似对称抛物型隶属函数,因而"改进最大最小"法更适用于模糊变量的隶属函数为对称抛物型分布时模糊随机可靠性及可靠性灵敏度的近似计算.     

考虑基本变量模糊与随机性的广义自适应重要抽样法

基于模糊随机广义可靠性分析向随机可靠性分析的转换,提出了模糊随机广义失效概率计算的自适应重要抽样法,该方法利用模拟退火智能优化,在模拟的过程中逐步逼近模糊随机广义设计点,并在模拟过程中自适应地构造重要抽样函数,从而使得模糊随机失效概率的计算效率和精度大为提高。与传统的重要抽样法相比,本文方法无需首先求解失效模式的设计点。对非线性失效区和复杂等价概率密度函数,由于模拟退火智能优化在寻找设计点时比诸如一次二阶矩法(FOSM)更为有效,因而所提方法适合非线性失效区和复杂等价概率密度函数情况下的广义可靠性分析。另外,随着重要抽样密度函数逐步向最优值的自动调整,抽取的样本数逐渐增大,使后续构建的重要抽样函数更能体现对广义失效概率贡献的重要程度,并使失效概率的计算更加准确。文中算例证明了所提方法的合理性。     

非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法

结合鞍点概率分布估计和传统线抽样方法的优点,提出了非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法。传统的线抽样方法对非正态变量问题进行可靠性分析时需将非正态变量等价转换为标准正态变量,非正态变量向标准正态变量的非线性转换将增加响应功能函数的非线性程度,进而加大了转换后响应函数失效概率估计的难度。所提鞍点线抽样方法则无需将非正态变量转化为标准正态变量,它利用鞍点概率分布估计方法可以直接估计非正态变量空间中线性响应函数概率分布的特点,并利用线抽样方法可以将非线性功能函数的失效概率转化为一系列线性功能函数失效概率平均值进行估计的优点,实现了非正态变量空间非线性功能函数失效概率的高精度估计。鞍点线抽样方法使用前需将变量进行标准化变换,这种变换是线性的,通过对变量的标准化变换可以消除变量的量纲,从而使得标准化变量空间概率分布更具规律性。理论推导可以证明：鞍点线抽样方法在基本变量服从正态分布时将退化为传统的线抽样方法。算例验证结果表明：针对非线性功能函数的可靠性问题,鞍点线抽样方法比传统的直接鞍点估计具有更高的精度。     

基于子集模拟和重要抽样的可靠性灵敏度分析方法

针对工程实际中大量存在的小失效概率问题,提出了基于子集模拟和重要抽样的可靠性灵敏度分析方法. 在子集模拟重要抽样可靠性分析方法中,通过引入合理的中间失效事件,将小的失效概率表达为一系列较大的条件失效概率的乘积,而较大的条件失效概率则可通过构造中间失效事件的重要抽样密度函数来高效求解. 基于子集模拟重要抽样可靠性分析的思想,论文将可靠性灵敏度转化为条件失效概率对基本变量分布参数的偏导数形式,推导了基于子集模拟和重要抽样的可靠性灵敏度估计值及估计值方差的计算公式,并采用算例对所提方法进行了验证. 算例结果表明所提方法具有较高的计算精度和效率,并且适用单个和多个失效模式系统.      

基于模糊事件概率理论的模糊可靠性分析通用方法

讨论了从已知的模糊信息的隶属函数,确定模糊失效事件的隶属函数的方法,以便能利用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析,给出模糊可靠性分析通用而统一的方法;并给出了强度为几种常用模糊分布时,所确定的模糊失效事件的隶属函数的具体表达式,分析了模糊失效事件的隶属函数的曲线特性。由于获得的模糊失效事件的隶属函数的形式比较复杂,用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析时,不可能得到计算模糊失效事件概率的解析式,因此通过仿真所确定的模糊失效事件的隶属函数的数学期望的方法,估计模糊失效事件的发生概率。本文讨论的通过确定模糊事件的隶属函数,用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析的方法具有普遍意义。     

非概率可靠性指标空间搜索算法

考虑不确定参数为区间变量,研究求解非概率可靠性指标的空间搜索算法。针对功能函数呈非线性性态的特征,采用切平面与G=0平面交线对非线性功能函数进行线性化处理,利用等倾线与等效线性功能函数的交点确定迭代点。经优化搜索,当功能函数取0值时,确定了最可能失效点,进一步确定非概率可靠性指标。经数值算例验证了本文提出的优化搜索算法具有较高的搜索效率,与相关结果比较验证了算法的正确性。     

考虑状态模糊性时广义失效概率计算的鞍点逼近方法

针对状态具有模糊性的广义可靠性分析问题,提出了一种广义失效概率计算的鞍点逼近方法.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,在离散的积分区域中,功能函数对模糊失效域的隶属函数近似保持为常数,从而将模糊可靠性问题转化为随机可靠性问题,进而利用近似的鞍点逼近方法求得广义失效概率.该文给出了所提方法的实现步骤和原理,并用算例验证了所提方法的合理性和可行性.由于基于鞍点逼近的考虑状态模糊性时广义失效概率的计算方法具有较高的效率和精度,因而所提方法具有一定的工程意义.     

基于合理子域的改进响应面方法

基于结构可靠性分析理论,给出了合理子域概念.合理子域能够明确在设计点附近对失效概率起主要贡献区域尺寸,且能够保证失效点以一定概率落在其内,解决了对失效概率起主要贡献区域尺寸难以量化问题.基于合理子域概念,给出了一种改进响应面方法.该方法能够保证响应函数在设计点处是无误差的、且在合理子域内对极限状态函数具有较好近似.采取蒙特卡罗重要抽样方法求解失效概率,结合抽样点位置采取分区域评估方法以提高失效概率求解精度.算例表明,所提方法在处理具有显式和隐式极限状态函数的可靠性分析时,均具有较好的计算精度和较高的计算效率.      

联合极限状态下基于最大熵可靠度的易损性分析

考虑工程需求参数(EDP)的前四阶矩,提出基于最大熵可靠度理论的地震易损性分析方法.基于SAP2000建立钢筋混凝土框剪模型,选择最大层间位移角和最大层加速度衡量结构的联合性能极限状态,建立极限状态方程.不对EDP的分布进行人为假定,在不同峰值加速度(PGA)下计算两种EDP的前四阶矩,并作为约束条件,建立极限状态方程...     

最大熵法在可靠度计算中的应用

在可靠度计算中,任意对立随机变量往往为不同概率分布,不利于可靠度计算。通常采用正态转换法将其转换成具有统一形式的正态分布,以便进行可靠度计算。但是,正态转换并不能保证原有随机变量概率分布特性,从而一定程度上造成可靠度计算误差。针对上述问题,本文提出在可靠度计算中利用最大熵法将任意随机变量概率密度函数转换成近似精度更高且具有统一标准形式的最大熵概率密度函数(MEPDF),然后提出对应的一阶可靠度计算方法进行可靠度求解,最后通过实例分析证明该方法的有效性。     

基于首次穿越时间概率密度的时变可靠性分析

基于时变可靠性性能函数首次穿越时间的概率密度F-PTPD(first-passage time probability density)模型,提出了一种求解机械产品全寿命周期可靠性累计概率密度函数的方法(简称F-PTPD方法),为产品在全寿命周期内可靠性分析和设计提供了工具。首先,采用稀疏网络随机配置方法进行时变可靠性性能函数均值的估计,选取性能函数均值为零的第一个时刻点作为首次穿越点;其次,基于均值的首次穿越点将时变可靠性性能函数进行二阶泰勒展开,利用二次函数的性质求解性能函数首次穿越时间关于随机输入变量的函数;再次,针对首次穿越点函数,采用稀疏网络随机配置方法进行首次穿越时间的四阶原点矩估计;最后,基于四阶原点矩利用最大熵概率密度函数估计方法,推导出首次穿越点的概率分布,获得产品寿命周期内时变可靠性的累计概率密度函数。本文方法可获得产品整个寿命周期失效概率的变化趋势,极大地提高了评估效率,对复杂产品的可靠性评估设计有一定的工程指导意义。     

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。     

An importance sampling procedure for estimating failure probabilities of non-linear dynamic systems subjected to random noise

The first passage problem for linear and non-linear oscillators excited by white and coloured noise are considered. An iterative variance reduction scheme is used in a framework of a measure change in the space of sample functions according to the Girsanov transformation, which is based on introducing a Markov control process. It is proved that a good approximation to the optimal stochastic control process can be obtained from an equivalent white noise excited linear oscillator. It is shown that this leads to very accurate estimates of the failure probability of the original system. The advantage of this procedure is that expressions for the parameters of the equivalent linear system and the design point oscillations, which are needed to find the control process, are available analytically. The number of samples, the variance of the failure probability estimates and the computational time are reduced significantly compared with direct Monte Carlo simulations.     

A method for estimating the reliability of structural systems with moment-matching and copula concept

It is aimed to propose a copula based systematic quantitative method for system reliability analysis of engineering structures considering multiple dependent failure modes. The principles of the moment matching method, the copula theory and the bound theory are combined to achieve the purpose. As the very first step, the moment estimation of the limit state function of each component is calculated by anchored ANOVA (Analysis of Variance) expansion. The third moment saddle point approximation is then applied to derive the distribution of each performance function and evaluate the reliability index with obtained moments. By introducing copula functions into the narrow bounds theory, the traditional reliability method is improved. The best-fitting copula function is determined to ensure the accuracy of the joint probabilistic modeling between the dependent failure modes. A novel feature of the proposed method is the use of the copula concept, instead of traditional numerical integration commonly used in the joint failure probability estimation. Examples are presented to illustrate the accuracy and applicability of the presented method.     

含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法

系统可靠性问题中通常存在大量的不确定参数,传统方法一般是基于概率模型对系统进行可靠性分析,但是实际工程中由于数据缺乏或试验条件的限制往往难以得到参数的精确概率分布.本文将结构体系一部分样本信息充足的不确定变量用随机变量进行描述,而另一部分样本缺乏的用区间表示,并提出了一种新的含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法.首先,基于一个高效求解方法获得单失效模式下结构的最小可靠度指标;再针对多失效模式下含概率与区间混合不确定性问题建立了系统可靠性分析模型;考虑各失效模式之间的相关性,通过线性相关度计算方法求得相关系数矩阵;最后提出了串联体系和并联体系可靠度求解方法.3个数值算例表明,该方法可以实现含概率与区间混合的多个非线性失效模式下系统可靠度的计算.通过对比传统的概率可靠性分析方法,本文方法只需要少量的不确定信息便可确保系统更加安全,更适合复杂结构系统可靠性的分析和设计.     

随机温度场的渐近-最大熵分析

针对具有随机参数的稳态温度场分析,利用拉普拉斯多维积分的渐近展开及函数的泰勒级数展开等方法,求得了节点温度响应的原点矩近似解析表达式。在最大熵原理基础上,获得了节点温度响应的概率密度函数。算例将该方法与Monte-Carlo模拟法进行比较,表明该方法具有较好的精度,且在参数变异性较大时也能获得较满意的结果。     

非正态概率分布对一次可靠度方法精度影响

一次可靠度方法(FORM)基本原理是将非正态分布基本变量变换为独立标准正态分布,并将功能函数在基本变量的验算点坐标位置线性化,因此功能函数在独立标准正态分布空间的非线性程度将直接影响一次可靠度方法(FORM)的计算精度。功能函数非线性的另一个来源是非正态变量的概率变换。本文通过研究9种非正态分布类型的正态概率变换函数的曲率值,得出了不同非正态分布类型对一次可靠度方法计算精度的影响规律。