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,本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。本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,本文方法均能在计算精度和计算效率之间达到满意平衡。     

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。     

基于Kriging模型的非概率可靠度计算

Kriging模型可以适应各种极限状态函数,HL-RF修正算法可以有效地计算非线性问题。对于难以获得极限状态函数的结构,提出了用Kriging模型进行回归拟合极限状态方程,同时使用HL-RF修正算法计算结构的非概率可靠度指标的计算方法。数值算例以及球形压力容器可靠性分析表明,本文提出的计算方法具有求解精度好、适应能力强的特点。     

考虑随机模糊性时结构广义可靠度计算方法

在元件强度外载既具有随机性又具有模糊性而元件的状态具有确定性的分界线时，元件的可靠度和失效概率可以表示成条件概率，这样就可以在考虑设计人员的经验的情况下降低元件的失效概率，算例结果证明了此结论；文中的另一个内容是给出了元件和结构的状态不存在明确界线时可靠度和失效概率的计算方法，从而更客观地反映结构的安全程度．     

结构体系失效概率计算的一种快速有效方法

提出了结构体系可靠性计算的一种快速、有效的新方法.通过失效模式之间相关度的确定,把系统失效概率的计算归结为各失效模式对应失效概率的权系数的确定.由于不涉及二阶和高阶联合概率的计算,不但有效地减小了计算工作量,且可消除相应的误差.实例对比研究表明,文中方法有足够的精度,且求解方便,计算量小,是实用和有效的.     

大型相关失效工程网络系统可靠度的近似算法

为避开失效模式(或系统可靠路径)的NP难题(non—polynomial increase hard problem)，提出递推分解算法，降低大型工程网络系统可靠度分析中的计算复杂性，同时，将改进的多维正态变量积分公式，引入递推分解算法之中，计算多失效模式(或系统可靠路径)的联合概率，并最终计算工程网络系统的失效概率和可靠度，对于特别复杂的工程网络系统，采用上下界的方法，给出具有很高精度的可靠度近似值。实例分析表明，本文提出的方法，具有较高的精度和计算效率。     

失效相关下表决工程系统的可靠度

当工程系统受到单一随机干扰源（如：地震,飓风等）作用时（满足区域性和同时性假设）,系统的可靠性分析必须考虑结构间的失效相关性,文献[1-3]采用条件概率的方法解决了地震作用下串联和并联工程系统问题,在此基础上,本文针对一种普遍意义下的表工程系统,进一步提出了包括结构失效信息,结构安全信息和它们的混合信息下条件概率及其近似处理方法,并由此建立了考虑结构失效相关性时表决系统可靠度计算的一般过程,同时讨论了表决系统失效无关和失效全梓关两种极端情形,最后给出了求解算法和数值算例。     

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.     

基于代理模型的边坡稳定可靠度算法

针对基于极限平衡模式而建立的边坡稳定可靠度功能函数的隐式特征及其导致的可靠度求解等问题,首先利用Kriging插值预测方法,以极限平衡理论的Janbu算法为例,建立了边坡稳定可靠度功能函数的新型显式代理模型;然后将拉丁超立方试验抽样设计方法、Janbu算法、几何可靠度指标计算三者结合起来,研制了该代理模型的求解程序;构建了基于Kriging插值预测的边坡稳定可靠度近似分析新方法。选用某著名边坡算例,将本文方法分析结果与基于蒙特卡洛法的精确解进行了对比,两者的相对误差为5.21%,但前者计算工作量不到后者的万分之一,表明了代理模型方法的实用性和有效性。最后用代理模型方法分析了衡桂高速某段路堑边坡的稳定可靠性,表明本文方法计算结果能够满足工程精度要求,具有一定的应用价值。     

基于快速傅立叶变换的二阶可靠度分析方法

建立了一种基于快速傅立叶变换的二阶可靠度分析方法。状态函数在利用两点近似技术近似为二阶多项式后,进一步变换为统计上独立的中间变量之和。对于中间变量的线性形式表示的状态函数,其概率密度的傅立叶变换是各中间变量的概率密度的傅立叶变换之积。因此,状态函数的概率密度可由其傅立叶变换函数的逆变换求得。文中的傅立叶变换和相应的逆变换均由高效的快速傅立叶变换技术完成。该方法可应用于正态和非正态分布问题。由于在构造二阶近似中采用了近似技术,因而具有很好的计算效率。数值算例验了该方法的应用、效率和精度。     

Al基含能结构材料的Johnson-Cook本构模型及失效参数研究

利用万能实验机和Hopkinson杆装置测试了Al基含能结构材料在不同温度下的静动态力学性能,分析实验结果得到了温度效应和应变率效应对材料力学性能的影响及该合金的Johnson-Cook本构模型参数.结合二维数字图像相关(DIC)方法,研究了Al基含能结构材料的失效应变与应力三轴度及温度之间的关系,得到了该合金的Johnson-Cook失效模型参数.通过平面撞击实验获得了Al基含能结构材料粒子速度和应力波波速之间的经验线性关系和该合金的Grüneisen系数.基于实验获得的材料本构关系和状态方程参数,完成了Al基含能结构材料超高速撞击多层间隔薄钢板的数值模拟,结果表明,数值模拟中靶板的毁伤模式、破孔直径及弹坑主要散布区和实验结果吻合.     

Multiple Crack Detection of Concrete Structures Using Impedance-based Structural Health Monitoring Techniques

This paper presents a feasibility study for practical applications of an impedance-based real-time health monitoring technique applying PZT (Lead–Zirconate–Titanate) patches to concrete structures. First, comparison between experimental and analytical studies for damage detection on a plain concrete beam is made. In the experimental study, progressive surface damage inflicted artificially on the plain concrete beam is assessed by using both lateral and thickness modes of the PZT patches. Then, an analytical study based on finite element (FE) models is carried out to verify the validity of the experimental result. Secondly, multiple (shear and flexural) cracks incurred in a reinforced concrete (RC) beam under a third point bending test are monitored continuously by using a sensor array system composed of the PZT patches. In this study, a root mean square deviation (RMSD) in the impedance signatures of the PZT patches is used as a damage indicator.     

Reliability Index and Failure Probability

Abstract

Numerical algorithms for the solution of nonlinear algebraic equation systems are discussed. Special application to the mechanism and multibody system kinematic analysis, as well as to the problems of constraint stabilization during dynamics simulation is regarded. Special attention is paid to the approaches of a separate solution of the differential equations and constraint stabilization. Numerical procedures that are effective additions to the well-known algorithms based on the Newton-Raphson method are presented. The problems of loss of precision and achievement of large unreal increments of the varying parameters are discussed. The traditional Newton-Raphson method is modified by applying a step reduction procedure that is developed numerically for the symbolic form of kinematic and dynamic equations. An optimization method for stabilization of constraints using the mass matrix of dynamic equations is suggested. According to the objective function defined the stabilization procedure provides minimal deviations of the parameters and their velocities with respect to the solution of the differential equations. No generalized coordinate partitioning is required either for solution of the dynamic equations or for stabilization of the constraints. Several examples of kinematic analysis of single and four contour plane mechanisms and constraint stabilization are solved, and the results are compared. The advantages of the algorithms developed are tested with a high-degree of initial deviation from the real solution. It is also shown that the step correction algorithm could provide admissible solution even when, in many cases, the classical approaches are not reliable. An example of the direct and inverse kinematic problem solutions of the four-degrees-of-freedom spatial platform is presented.     

含磨粒油润滑齿轮胶合失效的计算模型与试验研究

在机械设备的运转过程中，齿轮润滑油都含有很多不同尺寸的磨粒，研究表明，磨粒产生的机械效应和热效应都不容忽视，前者可以导致齿轮的磨粒磨损，后者能够造成齿轮的胶合失效。尽管目前人们已经对磨粒导致胶合失效的机理有所认识，但还没有建立起相应的计算方法和模型，有关的试验分析方法也还没有看到文献报道。因此，从机理，计算方法和试验等方面对含磨粒润滑工况下的齿轮胶合失效进行了分析与研究，在给定的条件下，通过几种含     

结构可靠度优化的敏感性分析

研究了设计变量的随机特性,通过可靠度对随机变量的敏感性分析,导出系统可靠指标与设计随机变量参数之间的近似关系式,构造出近似的系统可靠度约束函数和相应的优化模型,给出其优化求解的过程,并给出算例以说明其实用性。     

Narrow Reliability Bounds for Structural Systems

ABSTRACT

For structural systems that may fail in any one of several possible modes, reliability analysis is greatly simplified by use of upper and lower bound techniques. General bounds based on all the single mode failure probabilities and all the pairwise mode intersection failure probabilities are established. For systems where the single mode limit state surfaces are hyperplanes in the space of basic variables, a simple geometrical interpretation of the correlation between mode safety margins combined with a well-known geometrical interpretation of the single mode reliability index makes the practical calculation of the system reliability bounds easy. This is particularly true when the set of basic variables is jointly normally distributed. Examples show very narrow bounds which, in the practically important domain of high reliability, are almost coincident.     

结构可靠度的虚拟变量算法

从与结构失效函数有关随机变量均值和协方差的确定性特征出发 ,提出了准确计算结构可靠度的一种虚拟变量算法。使用虚拟变量算法时 ,只需给出失效函数就能正确算出结构的可靠度。由于无需人工确定失效函数的偏导数 ,计算较为简单 ,当失效函数形式复杂、与失效函数有关随机变量较多时 ,可使计算效率得到显著提高     

基于多目标优化策略的结构可靠性稳健设计

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将结构可靠性稳健优化设计转化为多目标优化问题。运用灰色理论中的关联分析法,选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出了灰色粒子群算法求解可靠性稳健优化设计问题。与传统方法相比,该方法简便易行并能迅速准确地得到结构可靠性稳健优化设计信息。     

Component Mode Synthesis Using Nonlinear Normal Modes

This paper describes a methodology for developing reduced-order dynamic models of structural systems that are composed of an assembly of nonlinear component structures. The approach is a nonlinear extension of the fixed-interface component mode synthesis (CMS) technique developed for linear structures by Hurty and modified by Craig and Bampton. Specifically, the case of nonlinear substructures is handled by using fixed-interface nonlinear normal modes (NNMs). These normal modes are constructed for the various substructures using an invariant manifold approach, and are then coupled through the traditional linear constraint modes (i.e., the static deformation shapes produced by unit interface displacements). A class of systems is used to demonstrate the concept and show the effectiveness of the proposed procedure. Simulation results show that the reduced-order model (ROM) obtained from the proposed procedure outperforms the ROM obtained from the classical fixed-interface linear CMS approach as applied to a nonlinear structure. The proposed method is readily applicable to large-scale nonlinear structural systems that are based on finite-element models.