基于广义Lambda分布逼近的结构可靠度计算方法

提出了基于广义Lambda分布逼近的结构可靠度计算方法。首先利用功能函数抽样数据,估计功能函数的前4阶矩信息。通过点估计法获得功能函数概率密度函数广义Lambda分布近似表达式,并根据工程结构可靠性的定义计算结构失效概率,进行可靠性分析。数值算例表明,广义Lambda分布对各种经典分布曲线具有良好的适应性。通过两个工程算例与Monte-Carlo模拟结果进行对比,验证了所提可靠度计算方法的正确性和实用性。     

基于鞍点估计及其改进法的可靠性灵敏度分析

鞍点估计可以直接逼近非正态变量空间中线性功能函数概率分布, 进而得出功能函数的失效概率. 在此基础上进行了基于鞍点估计的可靠性灵敏度分析. 对于非线性功能函数, 尤其是强非线性功能函数, 基于鞍点估计进行可靠性及灵敏度分析时存在较大的误差, 为此建立了基于鞍点估计的改进方法------鞍点线抽样方法的可靠性灵敏度分析. 在标准化的变量空间中利用线抽样方法的样本点将系统失效概率转化为一系列线性响应功能函数失效概率的平均值, 从而可靠性灵敏度转化为一系列线性响应功能函数的失效概率对随机变量分布参数偏导数的平均值, 再采用鞍点概率估计方法直接估计非正态变量标准化空间中这一系列线性响应功能函数的失效概率及可靠性灵敏度. 通过比较两种方法的基本思想、实现过程和算例结果可以发现: (1) 第1种方法只适用于线性程度较好的功能函数的情况, 其误差主要来源于非线性极限状态函数的线性化; (2) 改进方法给出的是失效概率及失效概率对随机变量分布参数偏导数的估计值, 这些估计值随样本点数的增加而趋于真值, 并且该方法可以考虑功能函数的非线性对失效概率的影响, 因此具有广泛的适用范围.      

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。     

基于合理子域的改进响应面方法

基于结构可靠性分析理论,给出了合理子域概念.合理子域能够明确在设计点附近对失效概率起主要贡献区域尺寸,且能够保证失效点以一定概率落在其内,解决了对失效概率起主要贡献区域尺寸难以量化问题.基于合理子域概念,给出了一种改进响应面方法.该方法能够保证响应函数在设计点处是无误差的、且在合理子域内对极限状态函数具有较好近似.采取蒙特卡罗重要抽样方法求解失效概率,结合抽样点位置采取分区域评估方法以提高失效概率求解精度.算例表明,所提方法在处理具有显式和隐式极限状态函数的可靠性分析时,均具有较好的计算精度和较高的计算效率.      

AN IMPROVED RESPONSE SURFACE METHOD BASED ON THE RESONABLE SUBDOMAIN

基于结构可靠性分析理论,给出了合理子域概念.合理子域能够明确在设计点附近对失效概率起主要贡献区域尺寸,且能够保证失效点以一定概率落在其内,解决了对失效概率起主要贡献区域尺寸难以量化问题.基于合理子域概念,给出了一种改进响应面方法.该方法能够保证响应函数在设计点处是无误差的、且在合理子域内对极限状态函数具有较好近似.采取蒙特卡罗重要抽样方法求解失效概率,结合抽样点位置采取分区域评估方法以提高失效概率求解精度.算例表明,所提方法在处理具有显式和隐式极限状态函数的可靠性分析时,均具有较好的计算精度和较高的计算效率.     

含模糊随机变量的多模式系统广义失效概率计算的内插迭代线抽样方法

通过正则化基本变量的度量空间,定义了单个基本变量同时具有模糊和随机双重不确定性时的广义失效概率.在广义失效概率的计算中,模糊随机变量被等价变换为随机变量.从而使得广义失效概率的计算变换为随机失效概率的计算.当模糊随机变量的密度函数和隶属函数均为正态型时,推导了其等价概率密度函数的形式和参数.采用自适应线抽样方法对基本变量同时具有模糊和随机不确定性时的多模式广义失效概率进行了计算,并采用数值算例对自适应线抽样广义失效概率计算方法的效率和精度进行了验证.算例分析表明该方法的计算结果是合理的,并且由于自适应线抽样法具有较高的效率和精度,因而所提方法具有一定的工程意义.     

非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法

结合鞍点概率分布估计和传统线抽样方法的优点,提出了非正态变量可靠性分析的鞍点线抽样方法。传统的线抽样方法对非正态变量问题进行可靠性分析时需将非正态变量等价转换为标准正态变量,非正态变量向标准正态变量的非线性转换将增加响应功能函数的非线性程度,进而加大了转换后响应函数失效概率估计的难度。所提鞍点线抽样方法则无需将非正态变量转化为标准正态变量,它利用鞍点概率分布估计方法可以直接估计非正态变量空间中线性响应函数概率分布的特点,并利用线抽样方法可以将非线性功能函数的失效概率转化为一系列线性功能函数失效概率平均值进行估计的优点,实现了非正态变量空间非线性功能函数失效概率的高精度估计。鞍点线抽样方法使用前需将变量进行标准化变换,这种变换是线性的,通过对变量的标准化变换可以消除变量的量纲,从而使得标准化变量空间概率分布更具规律性。理论推导可以证明：鞍点线抽样方法在基本变量服从正态分布时将退化为传统的线抽样方法。算例验证结果表明：针对非线性功能函数的可靠性问题,鞍点线抽样方法比传统的直接鞍点估计具有更高的精度。     

基于马尔科夫链与鞍点逼近的模糊随机可靠性分析方法

针对同时存在随机不确定性和模糊不确定性的可靠性分析问题,提出了两种高效解决方法。一种是迭代马尔科夫链鞍点逼近法,该方法的基本思想是给定隶属水平下由迭代马尔科夫链和一次鞍点逼近法求得可靠度上下限,不同的隶属水平对应不同的可靠度上下限,遍历隶属水平的取值区间[0,1]即可求得可靠度隶属函数,与传统的两相Monte Carlo数字模拟法和迭代一次二阶矩法相比,该方法具有效率高和对非正态基本随机变量不需要进行正态转换的优点;第二种方法是迭代条件概率马尔科夫链模拟法,该方法在求解给定隶属度水平下的可靠度上下限时,由条件概率公式引入一个非线性修正因子,该因子的引入大大提高了功能函数为非线性的可靠性问题的求解精度。本文算例验证了所提方法的优越性。     

基于模糊事件概率理论的模糊可靠性分析通用方法

讨论了从已知的模糊信息的隶属函数,确定模糊失效事件的隶属函数的方法,以便能利用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析,给出模糊可靠性分析通用而统一的方法;并给出了强度为几种常用模糊分布时,所确定的模糊失效事件的隶属函数的具体表达式,分析了模糊失效事件的隶属函数的曲线特性。由于获得的模糊失效事件的隶属函数的形式比较复杂,用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析时,不可能得到计算模糊失效事件概率的解析式,因此通过仿真所确定的模糊失效事件的隶属函数的数学期望的方法,估计模糊失效事件的发生概率。本文讨论的通过确定模糊事件的隶属函数,用模糊事件概率理论进行模糊可靠性分析的方法具有普遍意义。     

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.      

General failure probability simulation and application for multi-mode

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｆｕｚｚｉｎｅｓｓｉｓａｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｆａｃｔｏｒｆｒｏｍｔｈｅｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ.Ｉｔｒｅｆｌｅｃｔｓｔｈａｔｔｈｅｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｉｓｖａｇｕｅｆｏｒｔｈｅｄｅｆｅｃｔｏｆｔｈｅｅｘｃｌｕｄｅｄｍｉｄｄｌｅｌａｗ .Ｔｈｅｓａｆｅｔｙｓｅｔａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｅｔａｒｅｆｕｚｚｙｉｎｍａｎｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓ.Ｅｘｐｅｃｔａｌｉｔｔｌｅａｍｏｕｎｔａｂｒｕｐｔｆａｉｌｕｒｅ,ｔｈｅｆａｉ…     

对称抛物型模糊变量下的可靠性及灵敏度分析

当模糊变量的隶属函数为正态型时,可以将模糊随机可靠性及可靠性灵敏度转化为随机可靠性及可靠性灵敏度,并利用复合函数求导法则求解模糊随机失效概率对正态型隶属函数分布参数的灵敏度.对于对称抛物型隶属函数,文中提出了"改进最大最小"法和"改进等面积"法两种近似等价正态化方法,从而将模糊随机可靠性问题转换为随机可靠性问题,并利用线抽样方法分析之.算例结果表明,由于"改进最大最小"法所得的等价正态型隶属函数能在函数图形尾部更好地近似对称抛物型隶属函数,因而"改进最大最小"法更适用于模糊变量的隶属函数为对称抛物型分布时模糊随机可靠性及可靠性灵敏度的近似计算.     

PROCEDURE FOR COMPUTING THE POSSIBILITY AND FUZZY PROBABILITY OF FAILURE OF STRUCTURES

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗａｓｄｕｅｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ .Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｅｄｃａｕｓｅａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｍｅａｎｉｎｇ,ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｍａｙｂｅｄｉｖｉｄｅｄｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｔｏｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓ:ｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ,ｆｕｚｚｉｎｅｓｓａｎｄｕｎａｓｃｅｒ…     

基于概率密度演化方法的随机结构可靠度分析

随机结构反应的概率密度演化方法能够给出随机荷载作用下随机结构反应的概率密度函数。在此基础上，根据给定的正常使用位移限值要求，直接进行积分给出了随机结构的正常使用可靠度及其失效概率。在实例分析中，与一类情况下的精确解答及基于反应正态分布假定的二阶矩方法分析结果进行了比较。研究表明：基于密度演化方法的随机结构可靠度分析具有很高的精度，而二阶矩方法的可靠度分析结果则往往具有一定的偏差，在失效概率较低时可能给出虚假的失效概率。     

模糊随机可靠性分析的统一模型

针对基本变量和状态变量的不确定性可能既有随机性又有模糊性的情况，通过 引入规一化因子和模糊变量隶属函数的等效概率密度函数转换，建立了同时考虑随机和模糊 两种不确定性因素的统一可靠性模型. 由于该模型将模糊变量等价转换成了随机变量，并且 这种等价变换没有改变模糊变量的可能性分布，因而随机可靠性模型的所有方法均可用于统 一模型，并且其可靠度和失效概率的计算将是准确的. 所提模型不仅适用于只有应力和强度 两个基本变量的情况，而且也适用于多个变量的情况. 用算例对所提模型与前人的采 用截集并在截集中引入人为分布的模型进行了对比，结果表明该方法更适于工程应用.     

The cumulative stress hazard density as an alternative to the Weibull model

A simple, easily reproduced experiment based on artificial flaws has been proposed which demonstrates that the distribution of the minimum failure load does not necessarily follow a Weibull distribution. The experimental result presented in the paper clearly indicates that the Weibull distribution with its strictly increasing function, is incapable of approximating a constant probability of failure over a loading region.New fundamental concepts have been introduced referred to as ‘hazard stress density’ and ‘cumulative hazard stress density’. These concepts helped derive an equation giving the probability of failure without making use of the notions ‘flaws’ and ‘locally initiated failure by flaws’. As a result, the derived equation is more general than earlier models. The cumulative hazard stress density is an important fingerprint of materials and can be used for determining the reliability of loaded components. It leaves materials to ‘speak for themselves’ by not imposing a power law dependence on the variation of the critical flaws which is always the case if the Weibull model is used.An important link with earlier models has also been established. We show that the cumulative hazard stress density is numerically equal to the product of the number density of the flaws with a potential to cause failure and the probability that a flaw will be critical at the specified loading stress.We show that, predictions of the probability of failure from tests related to a small gauge length to a large gauge length are associated with large errors which increase in proportion with the ratio of the gauge lengths. Large gauge length ratios amplify the inevitable errors in the probability of failure associated with the small gauge length to a level which renders the predicted probability for failure of the large gauge length meaningless.Finally, a general integral has been derived, giving the reliability associated with time interval and random loading of a material with flaws. The integral has been validated by a Monte Carlo simulation.     

Fuzzy logic adaptive Kalman filtering in the control of irrigation canals

A fuzzy logic adaptive Kalman filtering methodology was developed for the automatic control of an irrigation canal system under unknown disturbances (water withdrawals) acting in the canal. Using a linearized finite difference model of open channel flow, the canal operation problem was formulated as an optimal control problem and an algorithm for gate opening in the presence of arbitrary external disturbances (changes in flow rates) was derived. Based on the linear optimal control theory, the linear quadratic regulator (LQR), assuming all the state variables (flow depths and flow rates) were available, was designed to generate control input (optimal gate opening). As it was expensive to measure all the state variables (flow rates and flow depths) in a canal system, a fuzzy logic adaptive Kalman filter and traditional Kalman filter were designed to estimate the values for the state variables that were not measured but were needed in the feedback loop. The performances of the state estimators designed using the fuzzy logic adaptive Kalman filter methodology and the traditional Kalman filtering technique were compared with the results obtained using the LQR (target loop function). The results of the present study indicated that the performance of the fuzzy logic adaptive Kalman filter was far superior to the performance of the observer design based upon the traditional Kalman filter approach. The obvious advantages of the fuzzy logic adaptive Kalman filter were the prevention of filter divergence and ease of implementation. As the fuzzy logic adaptive Kalman filter requires smaller number of state variables for the acceptable accuracy therefore, it would need less computational effort in the control of irrigation canals. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

联合极限状态下基于最大熵可靠度的易损性分析

考虑工程需求参数(EDP)的前四阶矩,提出基于最大熵可靠度理论的地震易损性分析方法.基于SAP2000建立钢筋混凝土框剪模型,选择最大层间位移角和最大层加速度衡量结构的联合性能极限状态,建立极限状态方程.不对EDP的分布进行人为假定,在不同峰值加速度(PGA)下计算两种EDP的前四阶矩,并作为约束条件,建立极限状态方程...