多失效模式重要抽样法的方差分析及应用

在计算结构体系失效概率时,基于Monte-Carlo数值模拟的重要抽样技术已被实践证明是一种非常有效的方法。重要抽样法中估计量的方差是影响收敛速度和计算精度的重要指标,因此重要抽样法的方差分析是非常必要的。对于单模式而言,其方差分析比较容易。对于多模式情况,其方差分析有一定的困难。这有可能影响重要抽样法在多模式结构体系失效概率计算中的应用。本文详细推导了几种常见重要抽样法的方差计算公式。然后用方差分析的概念,阐明了多模式重要抽样法应用中的一些问题。     

截断正态分布情况下失效概率计算的截断重要抽样法

截断重要抽样法是在传统的重要抽样方法的基础上,引入截断抽样函数来计算结构的失效概率,本文运用此方法来解决工程中普遍存在的截断分布问题。首先将截断分布情况下的可靠性模型转化为非截断分布情况下的多模式并联系统的可靠性模型,然后采用截断重要抽样法求解,推导了截断分布可靠性估计值的方差分析公式。文中给出的算例结果表明:截断重要抽样法适用于截断分布的可靠性分析,且在相同的计算精度下,截断重要抽样法比传统的重要抽样法效率要高。     

多模式自适应重要抽样法及其应用

针对多模式的可靠性分析，研究了其失效概率计算的自适应重要抽样法，该方法用模拟退火 算法来自动调整每个失效模式的重要抽样函数，使其逐渐趋近于估计方差最小的重要抽样 函数. 对于多个模式系统失效概率的计算，采用混合加权自适应重要抽样的方法, 反映了每个 失效模式对系统失效概率的贡献；对于系统失效模式所含基本变量不全相同的情况，提出了 扩展自适应重要抽样法, 来统一所有失效模式中的基本变量，从而使得混合自适应 重要抽样, 可以方便地求解变量不全相同时的系统失效概率. 对估计值方差和变异系数的计算公 式进行了推导. 验证算例结果, 充分说明方法的合理性与可行性.     

多个模式联合失效的设计点及概率的计算

提出了多个模式联合失效设计点的概念，并以此设计点作为计算联合失效概率的重要抽样函数的密度中心，算例表明本文方法可大大提高求多阶失效概率重要抽样法的投点效率和收敛速度，从而提高系统失效概率的计算精度。     

基于β面的截断重要抽样法

提出一种基于β面的截断重要抽样法求解结构单失效模式的失效概率。该方法通过在设计点处作失效面的虚拟切面-β面,将变量空间分割成重要抽样区域R和非重要抽样区域S。在R和S区域分别建立相应的截断重要抽样密度函数hR(x)和hs(x),从hR(x)和hs(x)中抽取的样本量按照R和S区域对失效概率的贡献来分配,由迭代模拟计算得...     

一种基于混合遗传算法优化的截断重要抽样法

针对并联系统失效概率的计算,提出一种基于混合遗传算法的截断重要抽样法.所提算法中,基于十进制编码的混合遗传算法被用来寻找并联系统最可能失效点x*和系统近似可靠度指标β.以β为半径建立以坐标原点为球心的截球,并以x*为抽样中心构造重要抽样概率密度函数,从而建立针对并联系统可靠性分析的β球截断重要抽样法.通过算例分析,比较了几种不同并联系统失效概率计算的方法,结果表明本文方法比连续顺序近似法、一次二阶矩法具有更高的计算精度,比蒙特卡洛法具有更快的收敛速度,尤其是针对小失效概率问题;与β球截断抽样法和重要抽样法相比,计算效率也进一步提高.     

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。     

扩展重要抽样法及其在平尾转轴可靠性分析中的应用

提出了扩展重要抽样法，用以计算结构系统的多个失效模式中含有不全相同基本随机变量时的系统失效概率。通过构造扩展重要抽样法的抽样密度函数，给出该方法失效概率的估计值，以及其方差和变异系数的计算公式。并将此方法用于某型飞机平尾转轴的可靠性分析，算例结果表明其优越性。     

结构动力可靠度的重要抽样法

重要抽样法是蒙特卡洛数值模拟方法中的一种重要的方差缩减技术,目前重要抽样法在工程结构可靠度计算中的应用主要集中于静力问题。本文分析了动力可靠度蒙特卡洛方法的特点,提出了在结构动力可靠度问题中应用重要抽样法的方法,并针对白噪声荷载,给出了选择重要抽样函数的方法和重要抽样函数的具体表达式。理论和数值分析表明,本文所提出的重要抽样法应用于结构动力可靠度计算是可行的。     

重要性抽样法在管节点疲劳可靠性分析中的应用

提出了用重要性抽样的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟法计算管节点的疲劳失效概率，并与直接抽样的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法进行了比较，结果表明：用重要性抽样法计算可大幅度地提高计算效率     

矩方法在多失效模式下可靠性全局灵敏度分析中的应用

针对工程实际中经常出现的多失效模式可靠性模型,建立了多失效模式下可靠性全局灵敏度分析的矩方法。在所选模型中,将四阶矩方法和Edgeworth级数展开式结合起来,有效地近似了多失效模式下响应功能函数的分布函数,为基本随机变量全局灵敏度分析中响应功能函数的条件概率密度和无条件概率密度函数的计算提供了一种简便高效的方法。算例结果显示了所选方法的合理性和可行性。     

基于LCF-Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

针对多失效模式下结构体系可靠度计算中的代理模型构建成本与计算精度如何权衡的问题,论文以减小体系失效概率预测方差为出发点,推导出最大贡献函数(LCF-Largest Contribution Function)来识别对体系失效概率方差影响较大的样本.LCF函数可减少对体系失效概率方差影响较小区域内样本数量,进而提高代理模型的计算效率;通过置信水平和允许相对误差建立LCF函数的学习停止条件,能够保证已有样本信息不浪费.论文选取能够对多个功能函数联合构建的多输出Kriging模型作为代理模型,基于LCF-Kriging模型并结合MCS对体系可靠度进行计算,功能函数的相关性可通过各失效模式的逻辑关系予以考虑.数值算例表明,在适当的学习停止条件下,对于串联、并联和串并混联的结构体系可靠度评估,论文方法均能在计算精度和计算效率之间达到满意平衡.     

多失效模式下的模式重要性测度及解法

针对工程中普遍存在的多失效模式系统可靠性问题,为提高或改进设计,需要研究失效模式对系统不确定性的影响因素。基于前人提出的基本变量重要性测度,提出了三种模式重要性测度:模式对系统失效概率的重要性测度、模式对系统响应量概率分布的重要性测度和模式功能函数与系统功能函数的相关系数。这三种模式重要性测度从不同的角度反映了失效模式对多模式系统不确定性的贡献。初步讨论了三种模式重要性测度的性质以及其所服务的工程目的,同时给出了模式重要性测度的标准数字模拟求解方法。根据本文提出的模式重要性测度,可以得到模式对系统不确定性的贡献的排序,从而为可靠性设计提供指导。给出了数值算例和工程算例,以说明所提出的模式重要性测度的合理性和可行性。     

采用重要抽样法的结构动力可靠度计算

首次对比分析了结构动力可靠度计算的三种重要抽样法,并对部分方法进行了补充修正.单元失效域法补充了依据随机教决定抽样区间的产生方法,根据单元失效域的条件概率和权重系数给出重要抽样密度函教.方差放大系数法直接通过激励过程的特性给出重要抽样密度函数的具体表达式.功率谱法的重要抽样密度函数仅为激励幅值的函数,根据结构反应的功率谱密度增大激励幅值的方差,建议幅值样本值的联合概率密度函数可表示为幅值样本值分量的概率密度函数的连乘形式.结果表明:对于线性体系三种方法的计算效率均比Monte-Carlo法有显著提高,而单元失效域法的计算效率又比另两种方法高.     

基于主动学习Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

对于具有多失效模式的结构可靠度计算问题,利用多输出Kriging模型作为代理模型进行分析。该代理模型只需对所有功能函数进行一次建模,无需对每个功能函数建立各自的代理模型,且在建模过程中能够考虑各失效模式之间的相关性。本文方法设定的初始样本点不仅对随机变量均值附近区域给予足够重视,而且能够兼顾设计空间的边缘区域,进而确保初始代理模型在全局空间内具有较好精度,以减少后续利用学习函数更新代理模型的次数。数值算例表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,当失效模式较多时,计算效率大幅提升。     

元件与模式相对重要度与静强度可靠度的影响分析

本文通过研究指出，在运用增量载荷法寻找每级可能破坏元件时，必须考虑每个元件变异系数的影响，以避免漏掉极限承载能力很大但可靠度很低的失效模式；同时指出，结构失效的各个模式对系统可靠性的影响不仅与其本身发生失效的概率有关，而且与这个模式的重要程度有关，并提出了采用加权系数来计及每个失效模式的重要程度对结构系统可靠性的方法；最后用算例说明了本文方法的合理性。     

具有多种失效模式的抗震结构的模糊可靠性分析

由于地震荷载和结构抗力具有明显的模糊性,在文献[1,2]中我们提出了具有单一失效模式的抗震结构的模糊可靠性分析.本文将上述概念和方法推广到具有多种失效模式的抗震结构,为此,又提出了结构的“模糊有效域”和“模糊失效域”的概念。     

基于重要样本法的结构动力学系统的首次穿越

基于Gisranov定理, 提出一种估计稳态高斯白噪声激励的结构动力学系统首穿失效概率的重要样本法. 文章重点是构造控制函数, 控制函数促使随机响应尽量集中在样本空间中最易导致首次穿越发生的部分. 利用设计点构造控制函数, 在线性系统场合, 结合时不变系统的结构可靠性理论, 通过解有约束的优化问题得到设计点; 在非线性系统场合, 利用Heonsang Koo提出的设计点激励, 通过镜像法得到设计点. 最后给出例子, 将所提方法与原始蒙特卡罗法相比较, 模拟结果显示方法的正确性与有效性.     

元件与模式相对重要度对静强度可靠度的影响分析

本文通过研究指出,在运用增量载荷法寻找每级可能破坏元件时,必须考虑每个元件变异系数的影响,以避免漏掉极限承载能力很大但可靠度很低的失效模式;同时指出,结构失效的各个模式对系统可靠性的影响不仅与其本身发生失效的概率有关,而且与这个模式的重要程度有关,并提出了采用加权系数来计及每个失效模式的重要程度对结构系统可靠性影响的方法;最后用算例说明了本文方法的合理性。     

等离子喷涂层接触疲劳失效模式及失效机理的研究

研究了等离子喷涂层在不同应力水平下的接触疲劳失效模式与声发射幅值的对应关系,并分析了涂层的接触疲劳失效机理.结果表明:声发射幅值与接触应力的大小无明显的关系,根据疲劳失效时的声发射幅值可以判断涂层接触疲劳失效模式,幅值为87～93 dB时易发生剥落或分层失效,幅值为78～83 dB易发生点蚀失效.涂层表面微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损以及涂层、磨粒、轴承球三者形成的三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因.剥落失效主要与涂层表面微观缺陷处裂纹的萌生、扩展以及表面磨损行为有关.层内分层失效是由涂层内部最大剪切应力控制的,而界面分层失效主要是由涂层与基体的低结合强度、热失配以及界面剪切应力造成的.