动态结构系统的频率可靠性稳健设计研究

针对随机动态结构系统振动问题进行研究,提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法;在此基础上,推导出频率可靠性灵敏度计算公式,研究设计参数的改变对随机动态结构系统频率可靠性的影响,给出各随机参数可靠性灵敏度的变化规律;并将频率可靠性及其灵敏度分析方法与可靠性优化设计方法相结合,提出了频率可靠性稳健优化设计方法,同时以一简化的两自由度的车身-车轮-路面关系的1/4离散系统模型为例,对该模型进行了频率可靠性稳健设计的研究,其理论计算结果与工程实际情况完全一致,也说明了所提方法的有效性和实用性,为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的理论依据。     

非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计

将刚度可靠性设计理论和稳健设计方法相结合,讨论了具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计问题,提出了刚度可靠性稳健设计的计算方法.把可靠性灵敏度融入可靠性优化设计模型之中,将刚度可靠性的稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题.在基本随机参数的前四阶矩已知的情况下,通过计算机程序可以实现具有非正态分布参数的梁结构的刚度可靠性稳健设计,迅速准确地得到具有非正态分布参数的梁结构刚度可靠性稳健设计信息.     

任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析

在刚度可靠性设计理论与灵敏度分析方法的基础上,研究了任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析问题,提出了刚度可靠性灵敏度分析的计算方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律,研究了设计参数的改变对梁结构刚度可靠性的影响,为任意分布参数的梁结构刚度可靠性设计提供了理论依据。     

结构系统可靠性优化设计的神经网络方法

针对具有非正态随机参数的可靠性(优化)设计,提出了随机摄动-Edgeworth级数方法,采用该方法将可靠性概率约束转化为等价的确定型约束,可以迅速准确地获得优化设计信息。针对具有多失效模式的结构系统可靠性优化设计,提出了随机模拟一神经网络方法(MCS—NN),将随机模拟方法与神经网络技术有机结合,为结构系统可靠性优化设计提供了一种新方法。     

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．     

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...     

基于响应面方法的破损-安全结构可靠性拓扑优化

传统结构由于缺少冗余,忽略了不确定性因素的影响,更容易受到局部刚度损失的影响,文章针对载荷不确定性下破损-安全结构的设计问题提出了一种有效的基于响应面的可靠性拓扑优化方法,以提高结构的安全性,确保结构在发生局部破损时仍能满足服役性能及可靠性要求.为此,建立了柔度概率约束下的结构体积比最小化的双循环可靠性拓扑优化模型,其中内层循环实施可靠性分析,外层循环实施拓扑优化.为了有效处理可靠性分析中响应函数关于随机变量的导数计算高成本问题,基于响应面方法建立了响应函数关于随机变量的显式表达式.详细推导了响应函数关于设计变量和随机变量的解析灵敏度列式,并采用移动渐近线方法(method of moving asymptotes, MMA)对优化问题进行求解.将基于响应面的可靠性拓扑优化方法与基于解析导数的方法作对比,并实施蒙特卡洛仿真验证了所提方法的有效性和优越性,讨论了随机载荷标准差对优化结果的影响.结果表明,本文方法可以有效设计满足指定可靠性水平的破损-安全结构,优化后结构可靠性指标的相对误差不超过1.3%,另外基于响应面的可靠性设计方法相对于基于解析导数的可靠性设计方法可节省约74%的可靠性...     

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。     

非完整信息条件下的结构可靠性鲁棒设计

在非完整信息条件下,建立区间变量、模糊变量、随机变量同时存在的可靠性设计模型,并给出相应的序列优化设计方法;同时考虑设计变量的实现值与设计值之间的差别以及约束条件的鲁棒性,提出基于info-gap决策理论的鲁棒优化模型,研究可靠性鲁棒设计的序列求解策略。算例1表明:模糊可靠性设计比随机可靠性设计结果保守,当模糊设计指标α=0时(对应区间可靠度)结果最为保守。算例2表明:不同的鲁棒性指标αt对应不同的鲁棒优化解,当αt大于0.20时,不存在相应的鲁棒优化解。利用本文提出的鲁棒序列优化求解方法对目标函数计算1291次即可,而常规优化算法需8107次,表明本文算法大大提高了计算效率。     

RELIABILITY-BASED DESIGN OF COMPOSITES UNDER THE MIXED UNCERTAINTIES AND THE OPTIMIZATION ALGORITHM

This paper proposed a reliability design model for composite materials under the mixture of random and interval variables. Together with the inverse reliability analysis technique, the sequential single-loop optimization method is applied to the reliability-based design of composites. In the sequential single-loop optimization, the optimization and the reliability analysis are decoupled to improve the computational efficiency. As shown in examples, the minimum weight problems under the constraint of structural reliability are solved for laminated composites. The Particle Swarm Optimization （PSO） algorithm is utilized to search for the optimal solutions. The design results indicate that, under the mixture of random and interval variables, the method that combines the sequential single-loop optimization and the PSO algorithm can deal effectively with the reliability-based design of composites.     

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.      

考虑材料性能空间分布不确定性的可靠度拓扑优化

论文研究了考虑材料性能空间分布不确定性的连续体结构可靠度拓扑优化问题。其中,材料的弹性模量视为具有给定概率分布特征的随机场,其离散采用级数最优线性估值法（EOLE）。随机结构的响应以及相应的灵敏度分析采用多项式混沌展开（PCE）近似表达,并采用Monte Carlo方法验证了该方法的精度。结构的可靠度分析采用一次可靠度方法（FORM）,在优化问题的求解中,对双层嵌套方法和序列近似规划（SAP）方法进行了对比。数值算例中,该方法应用于二维和三维结构的拓扑优化问题,优化结果验证了方法的正确性和有效性。     

FUZZY RELIABILITY-BASED OPTIMUM DESIGN OF LAMINATED COMPOSITES

In conventional reliability-based optimum design of structures, the reliability is computed based on the probability assumption, and the design objective and constraint are considered as deterministic ones. In many cases, however, there exist some fuzzy factors in the design objective and constraint functions. In this paper, the fuzzy reliability and fuzzy constraint are introduced to establish the fuzzy reliability-based optimum model for laminated composites. The examples show that the method developed in this paper can give consideration to both the reliability demand and the economic aspect of a structure. Since the fuzzy reliability-based optimum design is a 'soft' design, the present results provide a new methodology for the effective evaluation of structural reliability and bring us an alternative optimum design idea.     

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。     

基于凸模型的结构非概率可靠性优化

基于不确定性的凸模型描述,研究考虑非概率可靠性指标约束的结构优化问题. 该优化 模型是一个内层优化为极小极大问题的嵌套优化模型. 为了有效地求解该模型,提出了 一种基于目标性能的优化方法,通过寻找目标性能点来判断约束的满足情况,从而避免直接 计算以极小极大(min-max)问题定义的非概率可靠性指标. 提出的数值方法可处理材 料、几何及载荷等不确定性参数,并且目标性能值的灵敏度计算公式简便,算法稳定. 数值 算例验证了所提出方法的正确性,也表明算法比文献中已有方法更为有效 。     

Frequency Reliability-Based Robust Design of the Suspension Device of a Jarring Machine with Arbitrary Distribution Parameters

The frequency reliability with arbitrary distribution parameters in the stochastic dynamic structure system of practical engineering and its related theories were studied deeply in the paper. The frequency reliability method of avoiding resonance was proposed by mechanical dynamics, stochastic finite element method, and reliability theory. Then the frequency reliability formula with arbitrary distribution parameters was deduced through Edgeworth series method. Furthermore, the frequency reliability sensitivity method was presented based on the frequency reliability research, which provided a preliminary efficient way to analyze how each random parameter contributed to the system reliability. Moreover, the frequency reliability-based robust design method of the stochastic dynamic structure system was obtained by robust and optimization technology on the basis of frequency reliability and sensitivity method, which helped designers to establish acceptable parameter values and to determine the fluctuations of the parameters for the safe operations. Meanwhile, a numerical example of the suspension device of a jarring machine with arbitrary distribution parameters was provided and studied, the numerical results were in agreement with practice, which demonstrated the efficiency and accuracy of the proposed methods.     

RELIABILITY SENSITIVITY STUDY OF THE BENDING VIBRATION OF THE COMPRESSOR ROTOR

以转子系统H858 型离心式压缩机为研究对象,利用MSC.Patran&Nastran 软件对该转子系统弯曲振动情况下的固有频率进行分析,定义了系统振动问题的频率可靠性模式,并以此为基础,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频率可靠性灵敏度的计算公式,并应用于转子系统弯曲振动情况下的频率可靠性灵敏度研究中,同时将理论分析结果与基于Nessus软件的有限元分析结果进行比较,进一步验证了所提方法的有效性.     

含模糊变量和区间变量的结构可靠性优化设计方法

提出了基于能度可靠性理论的含模糊变量和区间变量的结构优化设计方法.运用能度可靠性理论建立了含模糊变量和区间变量的结构混合可靠性模型,采用结构的最大失效可能度作为混合模型的可靠性度量,给出最大失效可能度的计算方法,并以混合可靠性模型的最大失效可能度为约束条件建立了混合结构优化设计模型.实例计算表明了本文方法的有效性.     

具有随机拉索刚度的预应力钢桁架随机内力摄动分析

本文在建立拉索式预应力钢桁架基本计算理论的基础上，考虑到拉索刚度的随机性，推导了拉索式平面预应力钢桁架随机内力摄动分析的一般公式及敏度分析式，并给出了算例。为进一步进行预应力钢桁架可靠性分析奠定了基础。     

基于FOSM法的预应力钢桁架系统可靠性分析

基于一次二阶矩法(FOSM)建立了索张拉预应力钢桁架任意单元失效模式可靠性指标的计算模型,并分别根据点估计法和窄界限法得到了整体结构失效概率的计算公式,随机内力统计特性-均值和标准差则根据随机摄动理论确定.该计算模型中的基本随机参数包括任意折线索单元和桁架单元的截面面积 (或综合刚度) 、张拉钢索的预拉力、外荷载及弹性约束刚度等.利用本文计算模型编写的计算程序对工程中普遍采用的结构形式进行了可靠性分析,并对影响结果的有关参数进行了讨论,为索张拉预应力钢结构整体可靠性设计奠定了一定的基础.分析表明,窄限法得到的整体可靠性指标与点估计法(PNET)所确定的基本一致, 这是因为本文计算模型中各失效模式间的相关系数较小之故.此外,随机变量的相关性对预应力钢结构不同阶段可靠性指标有不同的影响,其中加载阶段影响更大.