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.      

基于主动学习Kriging模型和子集模拟的可靠度分析

工程结构的功能函数大多数具有隐式非线性程度高的特点,且失效概率较小,需要复杂的有限元分析计算。针对工程实际中大量存在的小失效概率问题,本文提出了基于主动学习Kriging模型和子集模拟方法相结合的可靠度分析方法——AK-SS。AK-SS方法有子集模拟求解小失效概率和主动学习的Kriging模型代替真实功能函数的优势。该方法首先采用Kriging模型代替真实功能函数,通过主动学习方法逐步扩充实验设计点,逐步改善Kriging模型的精度;然后利用子集模拟方法的基本思路,通过引入合理的中间失效事件计算小失效概率。结果表明,AK-SS方法在保证结果精度的同时减少了功能函数的评估次数,对于工程实际中具有隐式功能函数的小失效概率计算问题具有较强的应用前景。     

非高斯荷载作用下结构微小失效概率的估计方法

本文提出了一个估计非高斯荷载作用下结构体系微小失效概率的有效方法．该方法由两个解耦的分析过程组成：第一个过程由移位广义对数正态分布模型估计结构非高斯反应的边缘分布函数,对于移位广义对数正态分布模型的参数估计采用两水准方法;第二个过程由Copula函数估计结构非高斯反应的联合分布函数,通过该联合分布函数的尾部得到结构体系的微小失效概率．非高斯地震荷载作用下六层抗弯钢框架的微小失效概率算例分析表明,本文所提方法能精确估计结构体系的微小失效概率,其计算效率比目前普遍采用的Monte Carlo模拟方法高5~10倍．     

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。     

结构可靠性分析的高效自适应重要抽样方法

提出了一种基于自适应Metropolis算法和快速高斯变换技术的结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法。该方法首先利用自适应Metropolis算法高效生成结构失效域样本,然后运用自适应宽核密度估计方法构造重要抽样密度函数,最后采用快速高斯变换加速重要抽样过程中核函数的计算。自适应Metropolis算法能够在相同计算量条件下提供更多结构失效域信息从而改善计算精度,即为求得给定精度问题的解,可有效减少样本生成过程中的结构分析次数,从而提高方法的计算效率;快速高斯变换大幅降低核密度估计的计算复杂度从而大幅缩减重要抽样的计算耗时。通过数值算例可以看出本文方法具有较高的计算精度和效率。     

结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法

提出了一种基于自适应Metropolis算法和快速高斯变换技术的结构可靠性分析高效自适应重要抽样方法. 该方法首先利用自适应Metropolis算法高效生成结构失效域样本, 然后运用自适应宽核密度估计方法构造重要抽样密度函数, 最后采用快速高斯变换加速重要抽样过程中核函数的计算. 与传统方法相比, 自适应Metropolis算法能够在相同计算量下提供更多结构失效域信息从而改善计算精度, 即为求得给定精度问题的解, 可有效减少样本生成过程中的结构分析次数, 提高方法的计算效率; 快速高斯(Gauss)变换大幅降低核密度估计的计算复杂度从而大幅缩减重要抽样的计算耗时. 通过数值算例可以看出该方法具有较高的计算精度和效率.      

一种高效的概率-证据混合可靠性分析方法

针对同时包含概率变量和证据变量的混合不确定性问题,提出了一种高效的结构可靠性分析方法,在保证精度的前提下大幅提高了计算效率。借助证据变量均匀化手段,将传统概率可靠性分析中的最可能失效点(MPP)概念引入概率-证据混合模型,基于MPP建立线性近似功能函数,并进行高效可靠性分析。最后通过三个工程算例验证了该方法的有效性。     

二维联合概率分布函数构造方法对结构串联系统可靠度影响分析

简要介绍了两种构造联合分布函数近似方法：基于Pearson相关系数的近似方法P和基于Spearman相关系数的近似方法S。推导了基于直接积分方法的串联系统失效概率计算公式,提出了两构件功能函数间负相关时串联结构系统失效概率上限值的计算公式。以理论联合概率分布函数是二维极值分布为例研究了两种近似方法在串联系统可靠度计算中的精度。结果表明,两种近似方法能够有效地计算串联结构系统可靠度,且精度很高,为不完备概率信息条件下串联结构系统可靠度分析提供了一条有效的途径。当两构件的功能函数正相关时,两种近似方法误差随串联系统失效概率的减小而增加,但近似方法与精确方法系统失效概率的差别最大也不会超过2倍;当两构件的功能函数负相关时,两种近似方法误差随系统失效概率的减小而减小,但两种近似方法的失效概率几乎与精确解一样。此外,两种近似方法误差不是随构件间相关性的增加而单调增加,而是存在一极大值。     

一种高效的概率-证据混合可靠性分析方法An efficient structural reliability anslysis method with both probability variable and evidence variable

针对同时包含概率变量和证据变量的混合不确定性问题,提出了一种高效的结构可靠性分析方法,在保证精度的前提下大幅提高了计算效率。借助证据变量均匀化手段,将传统概率可靠性分析中的最可能失效点（M PP）概念引入概率‐证据混合模型,基于M PP建立线性近似功能函数,并进行高效可靠性分析。最后通过三个工程算例验证了该方法的有效性。     

基于子集模拟法的风机叶片可靠度分析

风机叶片是风机机组中最重要的组件之一,其可靠性对整个发电系统的健康运行十分关键。传统的蒙特卡罗法可靠度计算效率较低,本文将子集模拟法应用到风机叶片的可靠度计算中,通过合理选取中间失效事件临界值和建议概率密度函数,采用Metropolis算法模拟产生一系列的样本,极大地提高了抽样效率。结果表明,子集模拟法在风机叶片可靠度计算中精度较高,且结构的失效概率越小,相比于传统蒙特卡罗法效率更高,可以极大地减轻计算压力。     

Fuzzy relaxed-finite step size method to enhance the instability of the fuzzy first-order reliability method using conjugate discrete map

Fuzzy reliability analysis can be implemented using two discrete optimization maps in the processes of reliability and fuzzy analysis. Actually, the efficiency and robustness of the iterative reliability methods are two main factors in the fuzzy-based reliability analysis due to the huge computational burdens and unstable results. In the structural fuzzy reliability analysis, the first-order reliability method (FORM) using discrete nonlinear map can provide a C membership function. In this paper, a discrete nonlinear conjugate map is proposed using a relaxed-finite step size method for fuzzy structural reliability analysis, namely Fuzzy conjugate relaxed-finite step size method fuzzy CRS. A discrete conjugate map is stabilized using two adaptive factors to compute the relaxed factor and step size in FORM. The framework of the proposed fuzzy structural reliability method is established using two linked iterative discrete maps as an outer loop, which constructs the membership function of the response using alpha level set optimization based on genetic operator, and the inner loop, implemented for reliability analysis using proposed conjugate relaxed-finite step size method. The fuzzy CRS and fuzzy HL-RF methods are compared to evaluate the membership functions of five structural problems with highly nonlinear limit state functions. Results demonstrated that the fuzzy CRS method is computationally more efficient and is strongly more robust than the HL-RF for fuzzy-based reliability analysis of the nonlinear structural reliability problems.     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型,在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点,通过矩阵变换将其转换到凸集空间内,得到凸集变量的样本点;将凸集变量样本点代入极限状态方程,从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型;利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解,统计结果的最大值和最小值,得到失效概率的上、下界,研究了凸集变量的个数对结果的影响,通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性;通过三个算例验证了计算结果的精度,并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高;凸集模型的类型会对结果产生较大影响;为使结果趋于稳定,椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型;若凸集样本点数目相同,椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小,稳定性高于区间模型。     

一种基于凸集-概率混合模型的结构可靠性分析法

本文建立一种凸集-概率混合模型下的结构可靠性分析方法。考虑椭球模型和区间模型两种不同类型的凸集模型,在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点,通过矩阵变换将其转换到凸集空间内,得到凸集变量的样本点;将凸集变量样本点代入极限状态方程,从而混合可靠性模型转变为纯概率可靠性模型;利用Laplace渐进积分法对每个极限状态方程进行失效概率求解,统计结果的最大值和最小值,得到失效概率的上、下界,研究了凸集变量的个数对结果的影响,通过失效概率的变异系数描述计算结果的稳定性;通过三个算例验证了计算结果的精度,并采用混合模型的蒙特卡洛法进行对比计算。研究表明：本文所提方法计算精度和效率均较高;凸集模型的类型会对结果产生较大影响;为使结果趋于稳定,椭球模型所需的凸集样本点个数多于区间模型;若凸集样本点数目相同,椭球模型的失效概率计算结果变异系数较小,稳定性高于区间模型。     

Determining a representative element volume for DEM simulations of samples with non-circular particles

Numerical studies on the number of particles or system size required to attain a representative element volume (REV) for discrete element method (DEM) simulations of granular materials have almost always considered samples with spherical or circular particles. This study considers how many particles are needed to attain a REV for 2D samples of 2-disc cluster particles where the particle aspect ratio (AR) was systematically varied. Dense and loose assemblies of particles were simulated. The minimum REV was assessed both by considering the repeatability of static packing characteristics and the shearing behaviour in biaxial compression tests, and by investigating the effect of sample size on the measured characteristics and observed shearing behaviour. The repeatability of the data considered generally improved with increasing sample size. The packing characteristics of the dense samples were more repeatable suggesting that the minimum REV reduces with increasing packing density. The minimum REV was observed to be sensitive to the characteristic measured. Although the overall responses of the samples during shear deformation were similar irrespective of the sample sizes, the smaller the sample size, the higher the fluctuations observed in the responses. Analysis of the coefficient of variation of the fluctuations around the critical state stress ratio can provide insight as to whether a REV is attained. The particle AR influences the effect of sample size on shearing characteristics and thus the minimum number of particles required to attain a REV; this can be explained by the influence of AR on the number of contacts within the samples.     

随机风速下高速列车的运行安全可靠性

基于可靠性理论提出了随机风速作用下高速列车风致安全分析的新方法, 这种方法可以对随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性进行有效评估.首先基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速, 建立随机风速作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法, 并通过数值仿真得到气动载荷系数的标准差随侧偏角的变化规律. 然后建立高速列车车辆系统动力学模型, 并对计算模型的正确性进行验证.最后以随机风速、侧力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数为基本随机变量, 研究随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性和可靠性灵敏度, 给出随机风速作用下高速列车的概率特征风速曲线.研究结果表明:随着车速和风速的增大, 系统的失效概率增大;通过可靠性灵敏度分析发现侧力系数和侧滚力矩系数对高速列车的运行安全影响最大, 应该特别注意这两个参数的变化对高速列车运行安全性的影响;传统确定性方法得到的高速列车的安全域曲线偏于保守, 基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲线.     

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.     

Crack identification in beams using wavelet analysis

In this paper a simple method for crack identification in beam structures based on wavelet analysis is presented. The fundamental vibration mode of a cracked cantilever beam is analyzed using continuous wavelet transform and both the location and size of the crack are estimated. The position of the crack is located by the sudden change in the spatial variation of the transformed response. To estimate the size of the crack, an intensity factor is defined which relates the size of the crack to the coefficients of the wavelet transform. An intensity factor law is established which allows accurate prediction of crack size. The viability of the proposed method is investigated both analytically and experimentally in case of a cantilever beam containing a transverse surface crack. In the light of the results obtained, the advantages and limitations of the proposed method as well as suggestions for future work are presented and discussed.     

基于主动学习Kriging模型的可靠性分析

论文采用Kriging模型代替结构真实功能函数,引入主动学习函数,序列选择最佳样本点,在每次迭代中加入最佳样本点更新Kriging模型.与直接的蒙特卡洛方法相比,主动学习Kriging模型仅需要少量的结构分析就能够得到精度较高的可靠度结果,适用于实际工程具有隐式功能函数的结构可靠性分析.论文通过三个数学算例,从最佳样本点的分布情况、功能函数的拟合程度及可靠度计算结果出发对四种学习函数进行对比研究,最后对具有隐式功能函数的悬臂板进行可靠度分析.结果表明,主动学习函数的引入,合理选择了Kriging模型所需的样本,提高了计算效率,同时,学习函数的选择对结构可靠性分析结果也存在影响.     

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.     

腐蚀管道的可靠度分析方法研究

对腐蚀管道的模糊可靠度计算方法进行了深入研究，提出了确定性可靠度和模糊可靠度两个基本概念；提出了基于断裂失效判据、基于FAD失效评估图和基于剩余强度3种方法计算模糊可靠度的方法；提出了3种新的方法计算确定性可靠度，即改进的JC法、GA—JC法和改进的Monte-Carlo法．以胜利油田某试验区已加入缓蚀剂的注水管道为例，采用本文建立的计算模糊可靠度的3种计算方法和确定性可靠度的3种方法，分别计算注水管道可靠度随着时间的变化趋势．在模糊可靠度的3种计算方法中，基于剩余强度失效方法比较适中，是计算模糊可靠度较好的方法；在确定性可靠度的3种计算方法中，改进的Monte-Carlo法较好．