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。     

基于阈值因子的结构可靠性解耦优化方法

基于结构可靠性理论,引入阈值因子的概念,其物理意义为当前最优解满足可靠性约束需将阈值增减的幅度。随着迭代的进行,对于有效约束,阈值因子收敛于1,能够使得最可能失效点快速向满足可靠性约束的极限状态曲面靠拢,优化效率得以提升。解耦模型中,优化变量可为随机变量也可为非随机变量,当优化变量为随机变量时,采取优化变量拆解方式进行计算。数值算例表明,本文方法对优化变量拆解方式不敏感,对有效约束和非有效约束均能够获得满意的优化结果,且计算效率明显高于经典方法。     

基于阈值因子的结构可靠性解耦优化方法

基于结构可靠性理论,引入阈值因子的概念,其物理意义为当前最优解满足可靠性约束需将阈值增减的幅度。随着迭代的进行,对于有效约束,阈值因子收敛于1,能够使得最可能失效点快速向满足可靠性约束的极限状态曲面靠拢,优化效率得以提升。解耦模型中,优化变量可为随机变量也可为非随机变量,当优化变量为随机变量时,采取优化变量拆解方式进行计算。数值算例表明,本文方法对优化变量拆解方式不敏感,对有效约束和非有效约束均能够获得满意的优化结果,且计算效率明显高于经典方法。     

基于可靠性的结构优化概念和方法

本文综述了基于可靠性的结构优化中的主要概念和方法。导出了多准则优化的新公式。给出了营运状态和/或终极状态的可靠性约束下不同准则用于结构最优设计所得结果的比较。      

基于能度可靠性的结构优化设计方法

基于可靠性的结构优化设计是不确定性结构设计的最合理途径。本文提出了基于能度可靠性的结构优化设计方法,将不确定结构的优化设计描述为：在重量或造价约束下,极小化结构的失效可能度;或对确定的容许失效可能度,极小化结构重量或造价。所提方法和传统的基于随机可靠性的结构优化设计是平行和相似的。由于结构的能度可靠性模型对已知数据的依赖性较低,计算过程较为简便。从而可使结构设计阶段获取数据的难度大大降低,并有效降低计算工作量,且可使模糊信息的处理更为合理。实例计算说明了文中方法是有效和可行的。     

基于可靠性映射函数的结构优化

基于可靠性分析理论,构建可靠性映射函数,将基于可靠性的结构优化由双层优化转化为单层优化,提高优化效率,解决基于可靠性结构优化的计算量大、不利用于工程应用的问题。可靠性映射函数具有明确理论依据,能够确保将其应用到基于可靠性的结构优化是可行的。为提高失效概率求解精度,以设计点为基础,提出一种改进响应面方法,并将其用于可靠性映射函数的求解。算例表明,该方法具有较好计算精度,功能函数评估次数明显少于其他方法,计算效率高,能够获得满意的优化结果。     

结构可靠性优化中的灵敏度分析

文中构建了基于可靠性的工程结构优化设计数学模型，并利用二阶矩理论将结构位移和单元应力可靠性约束进行了等价化处理，在此基础上导出了位移和应力的可靠性指标函数对设计变量的灵敏度计算表达式。这一表达式简洁规范并具有普遍性，对于类似以二阶矩形式表出的可靠性指标函数的灵敏度求解均成立。算例表明本文给出的基于可靠性的结构敏度计算公式是有效和正确的。     

结构可靠性仿真方法研究

可靠性仿真是对复杂结构系统进行可靠性分析计算最为有效的方法,引起了研究者越来越广泛的关注. 综合目前结构可靠性仿真方法研究现状,介绍了蒙特卡罗（Monte-Carlo,MC）法、极限状态方程重构法、随机有限元法（stochastic finite element method,SFEM）进行结构可靠性仿真计算的特点及发展现状,归纳了固体火箭发动机（solid rocket motor,SRM）结构可靠性的特点及当前进行仿真的方法;并在此基础上分析了目前结构可靠性仿真方法及对SRM 结构可靠性进行仿真分析计算时存在的不足及需要进一步研究的内容.     

结构的非概率可靠性方法和概率可靠性方法的比较

对文[8]中提出的非概率可靠性方法和广泛使用的传统的概率可靠性方法，在建模思想、模型结构和基于可靠性的结构优化设计等方面进行了比较研究。进一步阐释了有关概念。得到了一些有益的结论。说明了非概率可靠性方法的有效性和实用性。由于非概率可靠性模型对已知数据的要求较低，计算过程较为简便，从而可使结构可靠性分析和设计中获取数据的难度大大降低。并有效降低计算工作量。在所掌握的原始数据较少的情况下，非概率可靠性方法为结构的可靠性计算提供了一种较好的选择。     

结构的能度可靠性方法和随机可靠性方法的比较

对能度可靠性方法和传统的随机可靠性方法，在不确定性的处理、模型结构和基于可靠性的结构优化设计等方面进行了比较研究。得到了一些有益的结论。说明了能度可靠性方法的有效性和优越性．由于结构的能度可靠性模型对已知数据的要求较低，计算过程较为简便。从而可使结构可靠性分析和设计中获取数据的难度大大降低，并有效降低计算工作量,具有较好的适用性。     

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...     

基于77GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法

阵列天线是77 GHz毫米波雷达的核心硬件之一,其天线性能决定着雷达的探测能力。由于工作频率的升高以及毫米波雷达小型化、集成化的发展趋势,使得雷达阵列天线阵元间距过密,从而相互干扰出现强互耦效应,严重恶化雷达阵列天线的性能。为了解决上述问题,本文提出了一种基于77 GHz毫米波雷达接收天线的周期性条形阵列解耦结构优化方法。该方法通过优化周期性条形阵列解耦结构单元的条形厚度和间距,在保证阵列天线辐射性能的基础上,来抑制毫米波雷达接收天线阵元间的互耦并提高其阵元间的隔离度。仿真结果表明,相比于无解耦结构的阵列天线,提出的解耦结构能够有效地降低毫米波雷达接收天线间的耦合,尤其在中心频率77.75 GHz处互耦减少了13.29 dB。在施加周期性条形阵列解耦结构前后,阵列天线均在77.5 GHz～78.5 GHz指定频段内正常工作,且合成辐射方向图的最大增益几乎保持不变,从而保证了毫米波雷达阵列天线的辐射性能。典型的数值算例能够很好地验证所提方法的有效性。     

桁架结构非概率可靠性拓扑优化

考虑非概率可靠性的拓扑优化对于非确定参数和荷载条件下结构的概念设计具有重要意义,有关研究国内外少见报道.本文利用凸模型理论,考虑优化迭代过程的需要,提出改进的非概率可靠性指标的定义,并针对桁架结构拓扑优化设计问题建立了以杆件截面积为设计变量、结构重量极小化为目标、具有非概率可靠性指标约束的广义尺寸优化数学模型.本文指出,考虑桁架结构参数的不确定性的条件下所得到的最优杆件布局与确定性优化所得到的结果可能有显著不同.对文中提出的数学模型,采用数学规划算法求解,数值算例结果令人满意.本文工作表明了桁架结构非概率可靠性拓扑优化设计的可行性和所提出算法的有效性.     

随机有限元方法与结构可靠性

简要介绍和综合论述了随机结构的有限元分析及可靠性分析方法的研究及发展情况．包括随机结构的离散化、随机有限元控制方程的求解、随机有限元可靠性方法及随机结构的可靠性分析等．讨论了随机结构分析中存在的一些问题．概要论述了可能的发展方向．     

结构能度可靠性方法研究

结构系统可靠性研究分随机模型、模糊模型和非概率模型.本文分析了传统随机模型的局限性,利用蒙特卡诺的基本思想.提出了一种新的基于区间分析的模糊可靠性度量体系及分析方法.从物理、几何等方面解释了文中理论的合理性.该方法确定的失效可能度综合了更多的结构有用信息,能够反映结构的实际可靠状态.最后还提出了基于本文可靠性度量方法的结构优化设计模型,通过实例介绍了该方法的具体应用.     

多变量单元结构共振解耦动力优化设计方法

针对截面多变量单元结构的动力优化问题,建立了带频率约束的结构动力优化设计模型,对隐式非线性频率约束函数进行Taylor近似展开,给出了截面多变量单元频率梯度函数显式表达式,基于Kuhn-Tucker条件构建迭代算法,其中拉格朗日乘子通过建立联合方程组求解,形成了含多变量单元共振解耦优化设计方法。以矩形截面单元结构为算例的结果表明,所给单元多变量算法具有良好的准确性;截面变量对频率的贡献存在主次之分,区分指标可采用梯度值;次要变量的修正因子迭代中可采用定值,且其下限应尽可能降低,利于节约成本。本文工作对多变量复杂截面结构动力优化设计可提供理论指导,提高结构动力优化方法的适用性。     

连续体结构非概率可靠性拓扑优化

基于非概率可靠性 指标的定义,考虑材料、几何及荷载大小的不确定性,提出以结构体积最小化为目标、具有 位移非概率可靠性约束的三维连续体拓扑优化数学模型. 采用目标性能方法对优化模型进行 转换,给出目标性能值的伴随法灵敏度分析算法,利用数学规划法实现优化问题的求解. 数 值算例验证了所提出优化模型的正确性及算法的有效性,并指出相对于确定性优化而言,非 概率可靠性拓扑优化能够给出在考虑不确定参数和荷载条件下更合理的材料分布.     

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。     

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 。     

基于非概率可靠性的结构优化设计研究

基于不确定参量的凸集合描述,研究了考虑非概率可靠性约束时,结构优化设计模型的求解问题。由于非概率可靠性指标是用一个极小极大模型来定义的,故以该指标作为设计约束,将得到一个嵌套的二级优化模型。为了求解该模型,提出了一种序列线性化的计算方法。利用非概率可靠性分析的拉格朗日乘子,逐步构造可靠性指标的一阶近似,通过序列线性规划法求解二级优化问题。该算法可用于区间变量和超椭球凸集模型并存的情形,具有较好的适用性。论文给出了主要的敏度计算公式,并通过简单算例对所提算法进行了验证。