基于可靠性的桁架结构拓扑优化设计

建立了以杆截面为设计变量、结构重量极小化为目标、具有位移、应力等性态可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计数学模型．通过引入可靠性安全系数，并利用结构力学的三个基本方程，将结构的位移和杆件应力可靠性约束等价显示化为设计变量的线性函数，使原基于可靠性的优化模型转化为常规的序列线性规划问题，利用修正的单纯形法求解．算例表明文中提出的方法既简单又有效．     

桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化

研究了桁架结构概率-非概率混合可靠性拓扑优化问题。建立了以结构重量为目标函数、混合可靠性指标为约束条件的拓扑优化数学模型,针对强度为随机变量和应力为区间变量、强度为区间变量和应力为随机变量两种情况推导了可靠性指标对设计变量的灵敏度计算公式。实例结果表明：混合可靠性拓扑优化的截面尺寸和结构重量相对于非概率可靠性优化都更大,使得结构除了能够容许载荷存在一定变异程度外,也允许位移和强度存在一定变异程度。     

基于可靠性约束的结构优化设计技术研究

建立结构重量最小化、可靠度为约束的优化模型。将结构近似为串联可靠度模型，每个元件作为一失效单元；由应力状况建立元件的失效函数。采用一次二阶矩法求解元件的可靠性指标；用元件失效概率的和来表示结构失效概率；将结构失效概率的允许值平分给元件，建立设计变量的显示迭代式，并用满可靠度法进行修正，获得最终设计结果。在开展结构静强度优化设计的同时，对元件在线弹性范围内的屈曲可靠性优化设计问题做了初步的研究。桁架结构和机翼盒段结构的可靠性优化结果表明，与现有方法相比，本文提出的方法在具有较高精度的同时，极大地提高了优化设计的效率。     

共同随机载荷下结构动态可靠性分析

目前对结构的可靠性研究仅考虑结构所受的一种载荷,本文从结构所受的4种载荷共同作用于结构的实际情况出发,运用Turkstra方法对应力进行了三种不同的组合,分别求得三种应力组合下结构所受的应力。然后根据应力-强度干涉理论,将结构分为强度不退化和强度退化,分别建立了结构的动态可靠性模型,运用一次二阶矩法,求出三种组合应力下结构的强度不退化和强度退化时结构的动态可靠性指标,把最低的可靠性指标确定为结构的动态可靠性指标。最后,通过实际算例的验证证明:动态可靠性指标在机翼设计初期都是0.9998;如果考虑多次荷载且机翼强度不退化时,机翼可靠性指标在1000h内为1.718;如果考虑多次荷载且机翼的可靠性指标在1000h内为0.968。这种情况与工程实际相符合,表明了文中预测模型具有合理性和有效性。     

可靠性灵敏度函数及其特征指标的条件概率模拟求解方法

可靠性分析中基本变量分布参数为区间均匀变量时,失效概率为分布参数的函数。基于条件概率马尔科夫链模拟,提出了一种可靠性灵敏度函数的求解方法,并提出了一种新的可靠性灵敏度度量指标,它为参数可靠性灵敏度函数在参数空间上的期望。文中推导了线性极限状态正态变量下全局灵敏度函数及新指标的计算式.并提出了高效的基于条件概率马尔科夫链...     

基于随机响应面法的可靠性灵敏度分析及可靠性优化设计

基于随机响应面法建立了可靠性灵敏度分析方法,并将其用于结构可靠性优化设计。建立的方法利用随机响应面法将隐式的结构响应函数转换成显式函数,在显式的响应函数基础之上求解失效概率和进行可靠性灵敏度分析,得到的可靠性灵敏度能为基于函数梯度的优化算法提供梯度信息。算例表明,本文提出的可靠性灵敏度分析方法具有较高的效率和精度,提高了结构可靠性优化设计的效率。     

一种结构可靠性指标的搜索方法

提出了一种计算结构可靠性指标的搜索方法，即自动变步长搜索方法。该方法克服一次二阶矩方法的缺点，对于非线性功能函数非常有效。数值例题表明：这种方法具有很好的收敛性和较高的计算精度，且其收敛性与初始步长无关，可以用于复杂问题可靠度的分析。     

结构随机动力非线性反应的整体灵敏度分析

以随机参数或参数子集对目标函数总方差的相对贡献作为该参数或参数子集的整体随机灵敏度度量,定义了一类整体随机灵敏度指标。结合结构非线性随机反应分析的密度演化方法,给出了计算整体随机灵敏度指标的基本算法。该灵敏度指标物理意义明确、计算实施方便。以滞回结构非线性反应分析为例,考察了以位移反应和滞回耗能为目标函数的不同随机参数(子集)的灵敏度指标。分析表明,不同随机参数(子集)对不同目标函数的灵敏度差异甚大,并且随机参数可能对结构反应的总方差产生负贡献。     

含间隙曲柄滑块机构中滑块位移的可靠性分析

以曲柄滑块机构为研究对象,分析其在考虑间隙和摩擦作用下以及考虑机构参数具有随机性时滑块输出位移的可靠性问题。利用连续接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型分别求出间隙处接触力及切向摩擦力,基于Lagrange方程建立曲柄滑块机构的动力学模型。考虑机构物理参数及几何参数的随机性,利用支持向量回归方法出色的小样本学习能力和良好的泛化性,给出机构随机参数与滑块位移误差的近似函数关系式。结合一次二阶矩法求出滑块位移响应的可靠性指标。通过算例验证了本文方法的可行性和有效性,并考察了参数的随机性对位移可靠性的影响。结果表明:运动副间隙是影响滑块位移可靠度的关键因素。     

具有频率和振型概率约束的工程结构动力优化设计

对随机参数结构建立了具有频率、频率禁区和振型位置概率约束的结构动力优化设计数学模型;利用一次二阶矩法对概率约束进行了等价化处理,推导了频率、振型节点位置和可靠性指标对设计变量的灵敏度表达式;利用子空间迭代法和混合罚函数法求解,通过梁和板两个结构算例证明文中模型的合理性和求解方法的有效性。     

平稳随机激励下随机桁架结构动力可靠性分析

研究了随机桁架结构在平稳随机激励下的动力可靠度求解方法。同时考虑结构物理参数、几何尺寸的随机性,利用求解随机变量数字特征的代数综合法和矩法,从结构随机响应的频域表达式出发,导出了随机桁架结构在平稳随机激励下的位移、应力及其导数响应均方值的数字特征,再由动力可靠性的Poisson公式导出了结构动力可靠度的计算公式。通过算例分析了各参数的随机性对结构动力可靠度的影响,验证了该方法的可行性和有效性。     

Topology optimization of truss structures with systematic reliability constraints under multiple loading cases

In this paper, a mathematical model for topology optimization of truss structures with constraints of displacement and system reliability under multiple loading cases is constructed. In order to avoid the difficulty of computing the structure's system reliability, a solving approach is presented in which the failure probability of system is divided into the sum of all bars' failure probability by means of reliability distribution. In addition, by drawing into the reliability safety factor and the fundamental relationship in structural mechanics, all probability constraints of displacement and stress are equivalently displayed as conventional form and linear function of the design variables. The optimization problem with multiple constraints is treated by the compact constraint tactics and is solved by the improved simplex method. The examples show that the approach proposed in this paper is feasible and efficient. The project supported by the National Natural Science Foundation of China.     

纳米增强预浸料缠绕立管参数敏感性分析

复合材料立管结构参数与立管力学性能存在紧密的关联性,掌握设计参数对缠绕立管力学性能的影响规律非常必要．考虑缠绕工艺引起的孔隙缺陷,基于复合材料弹性理论及孔隙微观理论模型,构建了纳米增强预浸料缠绕立管形变模型;其次,采用局部敏感度分析法,分别讨论了缠绕立管应力与位移对孔隙含量、孔隙形状、纳米颗粒含量、纤维体积含量、缠绕层数、缠绕角度及内压的局部敏感性;最终,数值结果表明：孔隙含量对轴向应力的影响局部敏感性较强,在孔隙含量为2.8 %~3.2 %之间时,轴向应力的局部敏感性数值快速从负数增长到正值;而孔隙的引入,使得其它设计参数对立管应力与位移的局部敏感性数值的变化趋势无明显影响,但大大影响了敏感性的数值大小;此外,径向位移对孔隙、纳米颗粒含量等所有参数明显不敏感．     

随机激励下的结构尺寸优化设计

将结构优化设计中的位移约束拓展为位移可靠度约束。基于首超破坏准则,采用概率密度演化方法分析了结构在随机激励下的位移可靠度。将遗传算法与概率密度演化方法相结合,对一个具有位移可靠度约束的十杆桁架进行了尺寸优化设计,实现了概率密度演化方法在结构优化设计中的成功运用。这一研究对于随机激励下的结构优化设计提供了新的途径,也为概率密度演化方法在结构优化设计中的运用进行了新的尝试。     

Residual Stress Analysis of Orthotropic Materials Using Integrated Digital Image Correlation

Measuring residual stress in an orthotropic material is a difficult task due to the complex behavior of the material. Recently, two different approaches based on Smith’s simplified real value formulation and the general solution developed by Lekhnitskii have been proposed. Both solutions assume the measurement of the displacement field via interferometric optical methods and estimate stress values through solving an inverse problem. However, the high sensitivity to vibrations of interferometric techniques makes their use difficult outside optical laboratories; standard Digital Image Correlation could be used, but its low sensitivity and relatively high standard deviation of displacements severely affect the reliability of estimates. In this work we propose to integrate the residual stress displacement functions related to orthotropic materials into the shape functions of Digital Image Correlation. This makes it possible overcome most of the problems related to low sensitivity and large standard deviation because a single large patch can be used for the measurement, thus providing an accurate and reliable algoritm for the measurement of residual stress.     

非线性随机系统的独立失效模式可靠性灵敏度

较好地解决了具有独立失效模式的多自由度非线性随机参数振动系统的可靠性灵敏度分析问题．应用四阶矩技术和Edgeworth级数把未知的响应和状态函数的概率分布展开成标准的正态分布的表达式，从而确定了系统的可靠度和可靠性灵敏度，并放松了随机参数的分布概型和激励类型．     

DYNAMIC RESPONSE OPTIMIZATION DESIGN FOR ENGINEERING STRUCTURES BASED ON RELIABILITY

IntroductionTheoptimumdesignofstructuraldynamicresponseisoneoftheimportantcontentsinthestructuraloptimizationdesign ,inwhichtherespondedphysicalquantityofstructuresunderdynamicexcitationaretakenasobjectorconstraintfunctions.Fortheproblemcomesdownsimultaneouslytothedynamiccharacteristicanalysisandthedynamicresponseanalysisaswellastheoptimumdesign ,itismoredifficultandcomplicatedthantheproblemofstructuralstaticoptimumdesign[1].However,therestillcomeoutsomeresearchproductionsinpastyears.Forexampl…     

平稳随机激励下随机智能桁架结构振动主动控制中的优化

研究了平稳随机激励下随机智能桁架结构振动主动控制中主动杆的配置位置和闭环控制系统增益的优化问题。考虑结构物理参数、几何尺寸、阻尼同时具有随机性以及作用荷载为平稳随机激励，基于系统最小储存能，构建了具有位移响应均方值、应力响应均方值可靠性约束的主动杆配置和控制增益的优化模型；并对结构平稳随机动力响应的数字特征进行了推导。通过算例，验证了该优化配置模型的合理性和有效性，获得了若干有意义的结论。     

动态结构系统可靠性的频率灵敏度分析

基于频率可靠性理论提出了动态结构系统的频率可靠性灵敏度的计算方法. 根据动态结构系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机结构振动问题的可靠性模式和系统的可靠度,进而提出了频率可靠性灵敏度分析方法,应用随机摄动技术、可靠性理论和灵敏度方法,推导出参数为正态随机变量时的准失效概率灵敏度的表达公式,对动态结构系统共振问题的可靠性灵敏度分析方法进行了探索. 并在此基础上,以一简化的车身-车轮-路面关系的系统模型为例,由可靠性灵敏度矩阵可以看出,各随机参数的变化对动态结构系统的可靠性及失效性的影响程度也不同,其计算结果与通常的定性分析结果完全一致,验证了所提方法的有效性. 该方法为动态结构系统的优化和设计提供了依据.