基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

基于凸模型的复杂多学科系统可靠性设计研究

复杂工程系统通常涉及到多个相互耦合的学科,而且其中往往存在不确定性因素。本文采用凸模型描述不确定性变量,将序列优化和可靠性评价方法应用于多学科可靠性优化之中,提出了一种新的多学科系统可靠性设计方法。在该方法中,可靠性分析采用功能度量法,多学科优化方法采用多学科可行方法或者二级系统一体化合成优化方法。数值算例和工程算例说明,该方法求解效率较常规嵌套求解方法效率高,为复杂工程系统的可靠性设计提供了一种新型求解算法。     

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.     

区间模型非概率可靠性全局最优解

考虑到实际工程中大量存在不确定性因素,将结构中不确定参数描述为凸集变量的一种特殊情况－区间变量,根据区间模型可靠性指标的定义,采用解析方法进行非概率可靠性全局分析。为避免可能失效点遗漏,解析分析从二、三维开始,对平面和空间进行区域划分,根据极限状态函数的形式,指出了可能失效点依赖于极限状态函数的极值点和根植点。通过简单的量值比较,即可确定最可能失效点,进一步可求得可靠性指标。将低维分析方法推广到n维情况,给出了n维空间中用于计算极值点和根植点方程的数量,能够有效避免发生可能失效点遗漏现象,对优化搜索具有指导意义。针对两类算例进行求解,并与已有结果比较,验证了本文解析方法的正确性。     

基于区间模型结构稳健性优化设计

采用区间变量描述结构不确定性参数,对不确定变量进行标准化,借用超椭球模型分析思路,对优化过程中的变量进行分类,突出稳健性优化设计特点,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,将变量划分为两类,考虑约束条件从特殊到一般,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,验证了论文方法的正确性和有效性.     

一种概率-区间混合结构可靠性的高效计算方法

针对既有概率变量又有区间变量的混合不确定问题,构造了一种高效的结构可靠性分析方法。该方法将传统概率可靠性分析中的响应面方法引入混合模型的可靠性分析中,通过Bucher设计与梯度投影相结合的方法建立线性响应面,并采用一有效的解耦方法求解基于响应面建立的近似混合可靠性问题,通过迭代实现响应面更精确地近似真实极限状态函数。最后,通过两个算例验证了该算法的有效性。     

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。     

桁架结构非概率可靠性形状优化设计

采用区间变量描述不确定参数,提出一种桁架结构非概率可靠性形状优化方法。建立了以截面尺寸和节点坐标为设计变量,以结构重量为目标函数,具有非概率可靠性指标约束的桁架结构形状优化数学模型。采用量纲归一化对截面尺寸和节点坐标进行了变量统一;运用均值点法对功能函数进行泰勒线性近似求解得到相应的非概率可靠性指标,并采用序列二次规划算法对优化模型进行求解。三个算例分析结果表明,算例均能快速稳定地收敛到最优解,结果符合工程结构设计经验,验证了本文所提方法的准确性和有效性。     

一种基于两级集成系统合成法的多学科稳健优化方法

针对多学科设计优化中约束存在不确定性的问题,提出了一种稳健优化方法。在该方法中采用区间模型描述不确定性设计变量,约束变化区间的最大值采用遗传算法求得,然后通过选定的满意度水平确定相应的约束值。多学科优化过程依靠两级集成系统合成法实现。通过算例验证了该方法的有效性,对处理多学科不确定性优化设计问题有一定的指导意义。     

正态变量相关情况下可靠性灵敏度分析的新方法

基于独立正态变量情况下可靠性灵敏度分析的线抽样法,提出了一种求解正态相关变量情况下可靠性灵敏度的新方法。在所提方法中,首先将正态相关变量等效变换为正态独立变量,然后利用线抽样方法独立完成等效独立变量情况下失效概率对独立变量的所有分布参数的灵敏度分析,最后依据等效变换前后变量分布参数之间的解析关系和复合函数求导公式,求得...     

非概率区间模型可靠性指标的梯度投影算法

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有效搜索算法.基于函数梯度法的基本思想,构造搜索方向,建立迭代算法格式,将传统的用于概率可靠性分析的梯度投影法用于非概率可靠性指标的求解.当收敛点为非最可能失效点时,提出了空间降维算法,并给出了整个搜索算法的计算步骤.通过数值算例,验证了本文提出的搜索迭代算法的有效性和正确性.     

结构可靠性优化的三阶段解耦方法

为提高基于可靠性的结构优化效率,提出一种三阶段解耦分析方法。第一阶段利用可靠性安全因子进行确定性优化,并将确定性优化结果作为初始样本点;第二阶段利用可靠性灵敏度和重量因子对样本点进行调整,获取目标函数与失效概率的数据集合;第三阶段利用目标函数与失效概率的关系,曲线获取可接受失效概率对应的目标函数,并求解最终优化设计变量。本文方法只需一次确定性优化,且现有结构可靠性求解算法均可使用,适应性强。算例分析结果表明,本文方法可以明显减少失效概率评估次数,且计算结果对可靠性安全因子与重量因子不敏感。     

给出不确定性激励下的动态响应边界——一种非随机振动分析方法

提出了一种非随机振动分析方法,可给出系统在不确定性激励下的动态响应边界,从而为实验信息相对缺乏的不确定性振动分析及未来的可靠性设计提供一种新的计算工具.采用非概率凸模型过程而非传统的随机过程描述不确定性动态激励,仅需知道激励在任意时刻点的边界信息而非精确概率分布,从而有效降低对大样本量的依赖性.针对单自由度和多自由度系统,建立了相应的非随机振动分析算法,以求解系统在不确定性动态激励下的响应区间;另外,也给出了蒙特卡罗仿真方法,为非随机振动提供一种最为一般的分析工具.最后,通过3个数值算例验证了本文方法的有效性.非随机振动分析方法可以作为传统随机振动理论的补充,在工程不确定性结构动力学分析及结构可靠性设计领域发挥作用.      

结构可靠性优化的三阶段解耦方法

为提高基于可靠性的结构优化效率,提出一种三阶段解耦分析方法。第一阶段利用可靠性安全因子进行确定性优化,并将确定性优化结果作为初始样本点;第二阶段利用可靠性灵敏度和重量因子对样本点进行调整,获取目标函数与失效概率的数据集合;第三阶段利用目标函数与失效概率的关系,曲线获取可接受失效概率对应的目标函数,并求解最终优化设计变量。本文方法只需一次确定性优化,且现有结构可靠性求解算法均可使用,适应性强。算例分析结果表明,本文方法可以明显减少失效概率评估次数,且计算结果对可靠性安全因子与重量因子不敏感。     

复变量重构核粒子法与有限元法耦合解弹性力学问题

提出了弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元法的耦合法(CVRKPM/FEM).采用场量耦合试函数法将弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元法进行耦合,详细推导了在整个求解域上的耦合公式.最后通过数值算例证实了本文所提弹性力学的复变量重构核粒子法与有限元的耦合法的有效性.本文的耦合法不仅可以很方便地施加本质边界条件,而且可以充分利用无网格方法和有限元法的优势,弥补各自不足以提高计算效率.     

参数概率灵敏度分析的神经网络方法及其应用

参数概率灵敏度分析是可靠性设计中非常重要的一项工作,它可以提供基本变量分布参数的变化引起可靠性的变化信息,为判断系统参数的重要性提供依据.本文将商用有限元计算.神经网络方法-Monte Carlo法相结合,基于这种快速响应模型的复杂结构可靠性分析方法,针对结构随机参数的概率灵敏度分析,提出一个考虑随机变量全局分散性的新...     

不确定性移动载荷激励下弹性简支梁的动态响应边界分析及应用

不确定性移动载荷激励下的弹性梁振动是土木、机械和航空航天等工程领域普遍存在的一类重要问题。在许多实际工程中,不确定移动载荷的样本测试数据有限或测试成本较高,本文引入区间过程模型对此类动态不确定性参数进行描述,提出了一种求解不确定移动载荷激励下弹性梁振动响应边界的非随机振动分析方法。首先,介绍了确定性移动载荷激励下弹性梁的振动微分方程及其解析求解方法;其次,引入区间过程模型,以上下边界函数的形式对不确定性移动载荷进行度量,进而基于模态叠加法发展出弹性梁振动响应边界求解的非随机振动分析方法;最后,将上述非随机振动分析方法应用于车桥耦合振动问题。     

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.      

车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法. 车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模. 假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征. 应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高. 采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.      

一种考虑相关性的概率--区间混合不确定模型及结构可靠性分析

提出了一种考虑相关性的概率--区间混合不确定性模型及结构可靠性分析方法,能够处理变量之间具有相关性的混合可靠性分析问题.分别针对概率变量,概率区间变量及区间变量定义了相关角的概念,用以定量描述变量之间的相关性;通过仿射坐标,将相关变量转换为独立变量;给出了其可靠性分析模型,并构建了一高效求解方法获得其可靠性指标和失效概率区间;最后通过分析两个数值算例,验证了方法的有效性.