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结构可靠度论文摘要范文结构可靠度论文摘要写 均匀设计和正交设计在试验次数相近的情况下,前者所选试验点均匀性更好,也更具代表性.该文将均匀设计与响应面法相结合,提出了结构可靠度的数值模拟新方法:基于均匀设计的响应面法、均匀设计响应面与蒙特卡罗抽样相结合的混合模拟法,介绍了利用均匀设计选取试验点构造响应面方程,求解可靠度的流程.结合一个门式框架的可靠度问题,基于ANSYS实现了上述新方法,并与经典的可靠度数值模拟方法进行了对比分析.均匀设计响应面法构造的结构极限状态函数精度更高、偏差更小,同时基于均匀设计响应面的混合模拟法不仅精度高,还可以大大提高试验效率. 结构可靠度分析计算通常采用多项式响应面拟合隐式极限状态函数,但对于复杂航空航天机械结构产品极限状态方程往往表现出高度非线性,此时多项式响应面的模拟精度不够就会造成计算不收敛.为了提高结构可靠度计算的精度、效率和收敛性,提出了基于优化Kriging模型和重要抽样法的结构可靠度计算方法.首先,利用人工蜂群算法对Kriging模型的参数进行优化,再用优化后的模型模拟隐式极限状态函数,结合重要抽样法不断修正抽样重心,逐步提高模拟精度以达到给定要求,最后,结合一阶矩法(FORM)/二阶矩法(SORM)经典算法求解结构可靠度.该方法提高了高度非线性隐式极限状态方程可靠度计算的精度和收敛性,并且具有较高的计算效率. 近几十年来,伴随着新材料、先进制造工艺和以科学计算为基础的仿真分析均出现重大技术进步,工程结构分析与设计技术也呈现出多样化发展的趋势.以结构多目标优化、多学科协同优化设计、结构可靠度分析与设计以及鲁棒设计等为代表的先进结构设计思想已经在实际工程结构设计应用中得到体现,这也契合了当前日益攀升的工程结构设计要求,即缩短设计周期,降低开发成本,提高设计质量,及对环境与客户更友好等.另一方面,尽管计算机仿真能力与计算效率已经取得较大进展,但新材料与新结构形式在工程结构设计中的广泛应用仍可能使传统的结构分析手段出现困难,不论是采用结构试验还是复杂仿真分析来辅助结构设计,都对上述结构设计要求提出挑战.因此,非常有必要研究各种适应结构分析能力现状的设计技术,而对*模型技术的研究及其对于辅助结构分析与设计方面的应用已经成为当前国内外的热门研究课题. 本文围绕*模型在结构分析与设计中的应用展开研究,分别探讨了基于结构试验的复合材料冲击损伤表征及基于有限元仿真计算的结构可靠度分析问题,其中研究重点放在新型*模型技术在结构可靠度分析中的应用.本文提出了一种改进的人工神经网络建模技术,实现了该方法在复合材料结构冲击损伤表征中的应用；基于各基本结构可靠度分析方法的不足,提出了一种新型结构可靠度分析的Two-Phase混杂模型；将移动最小二乘技术推广于结构可靠度分析领域,并基于失效概率计算特征提出了新型双加权移动最小二乘方法,以提高分析效率；研究了有限元分析中的灵敏度计算原理,具体推导了灵敏度信息辅助Kriging插值的建模方法,并提出了两种基于灵敏度信息的结构可靠度分析方法.主要研究工作及结论如下： (1)建立了改进的人工神经网络模型,并实现了该模型在复合材料冲击损伤表征中的应用 针对实际复合材料飞机结构设计中冲击损伤表征出现的困难,提出了以结构试验结果作为训练样本,构建人工神经网络模型(Artificial Neural Network,ANN)来定义结构冲击响应与影响参数之间的函数关系.基于训练样本点的数据特征,对传统的人工神经网络训练方法进行了改进,提出了利用交叉验证技术(Cross-Validation, CV)确定最佳网络结构与初始参数的方法.为了验证所提出方法的有效性,将其应用于复杂非线性函数和蜂窝夹层结构冲击损伤表征问题中.结果显示所提方法均能够有效地建立人工神经网络模型对函数关系进行近似,且表现出比采用传统神经网络建模方法更稳定的特征, (2)提出了结构可靠度分析的两阶段(Two-Phase)混杂模型 鉴于含隐式极限状态函数的结构可靠度分析问题中,一次二阶矩法、Monte Carlo法与经典响应面法都存在各自的优点与不足,提出了一种能够凸显三种方法分析优势、避免各自计算缺陷的可靠度分析Two-Phase混杂模型.在Two-Phase混杂模型中,基于一次二阶矩法与*模型的新型序列自适应抽样技术保证了在1st Phase中能够在极限状态曲面附近抽取更多的样本点,这对于提高2nd Phase中基于Monte Carlo法的失效概率Pf计算精度与效率有直接影响.通过4个典型可靠度分析算例,验证了所提方法能够有效实现将样本点布置在极限状态曲面附近,计算结果与其它可靠度方法相比也存在明显优势,即Two-Phase混杂模型可以在失效概率Pf的计算精度与计算效率上同步得到改进. (3)开展了双加权移动最小二乘技术在结构可靠度分析中的应用研究 为了将移动最小二乘技术(Moving Least Square,MLS)推广于结构可靠度分析应用中,首先介绍了其基本理论,并结合结构可靠度分析中失效概率计算的基本原理,提出了一种改进的双加权移动最小二乘法并使其能更适应可靠度分析问题特征.新的加权方案能够将随机变量空间中靠近极限状态曲面或最可能失效点的样本点分配更大的权系数值,因此能够提高极限状态曲面或最可能失效点的近似精度.而这对于提高失效概率计算精度有促进作用.3个典型算例的结果表明,与其它近似*模型相比,移动最小二乘法能够有效地应用于结构可靠度分析问题,且采用双加权移动最小二乘模型比采用普通移动最小二乘模型具备更高的失效概率计算精度. (4)提出了基于仿真灵敏度信息的结构可靠度分析模型 将计算机仿真程序特征与结构可靠度分析特征综合考虑,研究了提高失效概率Pf计算效率的一种新方法.以主流有限元软件均能提供的仿真灵敏度信息利用为例,提出了两种利用仿真灵敏度信息辅助进行结构失效概率计算的方法：1.将仿真灵敏度信息转化为一次二阶矩法中极限状态函数对随机变量的偏导数.三个工程算例的结果表明,灵敏度信息极大地提高了失效概率计算效率,但是计算精度存在限制；2.推导了包含仿真灵敏度信息的Kriging建模方法(SEK),通过已知函数近似问题验证了SEK在提高近似精度与效率方面的优势.基于Kriging、SEK与Two-Phase混杂模型的思路,发展出四种不同结构可靠度分析方法,两个典型数值算例的分析结果也表明：在保证失效概率分析精度的前提下,仿真灵敏度信息对于提高计算效率有很大的促进作用. 提出了考虑变量间相关性的随机响应面法,采用正交变换解决随机响应面法输入随机变量间相关性问题.推导了4阶和5阶Hermite随机多项式展开的解析表达式.编写了基于C#语言的随机响应面法计算程序.最后采用算例证明了随机响应面法在结构可靠度分析中的有效性.结果表明,提出的随机响应面法能够有效地分析输入随机变量间相关性的可靠度问题.3阶随机响应面法的计算精度在大多数情况下可以满足结构可靠度分析的需要,而且计算效率较高.但是随着变量间相关性的增加,4阶或5阶随机响应面法才能保证足够的计算精度.概率配点数目为随机多项式待定系数数目的两倍并不总能保证足够的计算精度,一般来说,配点数目要大于两倍待定系数的个数才能保证随机响应面法足够的计算精度. 对功能函数不能明确表达的问题进行可靠度分析,常采用响应面法.其中以求得验算点为目的迭代的二次多项式序列响应面法应用较为广泛,本文给出了该方法的Matlab源程序.提出了基于Matlab的插值响应面法和BP神经网络响应面法,介绍了其在Matlab环境下的实现方法,并进行了三种方法的对比分析.Matlab语言基本元素是矩阵,提供了各种矩阵的运算和操作,其中包含结构可靠度计算中常用的各种数值计算方法工具箱.采用Matlab语言构造响应面函数,进行结构可靠度计算,可充分发挥其矩阵运算功能及各种工具箱的作用,使编程效率大大提高,且语法简便,易于掌握.Matlab语言在可靠度计算中的应用,会对结构可靠性理论的推广使用起到积极推进作用. 结构可靠度分析的传统响应面法和随机响应面法都属于标量型响应面法,为克服其局限性,利用预处理Krylov子空间法研究建立了结构可靠度分析的向量型层递响应面法.首先将随机刚度矩阵和节点荷载向量线性展开,通过选取合适的预处理器建立了预处理Krylov子空间及层递基向量,据此将随机节点位移向量进行层递展开,形成向量型的层递响应面.进而,利用混沌多项式展开层递基向量和层递响应面,根据混沌多项式确定层递响应面的样本点选取方法.在此基础上,根据可靠指标的几何含义,利用响应量的层递展开式建立了结构可靠度分析的迭代算法.算例分析表明,该方法与传统响应面法或随机响应面法相比,能够取得更高的计算效率和计算精度. 工程结构在施工建造及使用过程中,需要承受设备、人群、车辆等荷载的作用以及风、雨、雪等自然环境的作用,同时,工程结构还有建造费用高和使用周期长的特点,工程结构的安全可靠与否,不但影响着社会生产实践,而且还关系到人民的生命和财产安全.因此,工程结构应要求具有一定的可靠性,才能保证结构在规定的使用期内能够满足设计要求的各项使用功能. 结构可靠度理论是处理结构不确定性、进行结构性能评估的有力工具.现有基本的结构可靠度计算方法可分为一次二阶矩法、蒙特卡罗法和响应面法.一次二阶矩法可以方便用于功能函数为显式表达的情况,但对于可靠性要求较高的结构,其计算精度有时不能满足工程需要.蒙特卡罗法可应用于隐式功能函数情况下可靠度的计算,但该法往往需借助大量的样本试验,计算效率很低.响应面法利用响应面函数逼近真实的功能函数,是当前解决隐式功能函数情况下结构可靠度计算的有效方法,但是如何构造逼真、稳定、方便的响应面函数是该领域研究的重要内容. 本文总结了国内外结构可靠度的研究现状,在对现有结构可靠度计算方法进行深入研究的基础上,寻求计算精度和计算效率较高的结构可靠度计算方法,以期能将结构可靠度理论更好地应用于实际工程领域. 本文的主要工作包括: (1)系统阐述显式结构功能函数的可靠度计算方法,并对这些方法的计算原理及其优缺点进行深入研究,为本文方法的提出打下理论基础. (2)对于隐式功能函数的可靠度计算方法,本文着重阐述多项式响应面法、人工神经网络响应面法和支持向量机响应面法的计算原理及其优缺点,并对参数选取和取值进行讨论. (3)借鉴二次二阶矩法,本文提出两种改进的响应面法,即二次多项式响应面曲率拟合法和二次多项式响应面拉普拉斯渐进积分方法. 本文的主要结论有: (1)二次二阶矩法是以一次二阶矩法为基础,并对一次二阶矩法的计算结果进行二次修正,在多数情况下有着更好的计算精度.其中曲率拟合法的计算精度主要取决于二次多项式对结构功能函数的逼近程度,而拉普拉斯渐进积分方法的计算精度主要受验算点精度的影响. (2)二次多项式响应面法对于大多数隐式功能函数,都能准确得到验算点,有较好的计算精度和计算效率,且原理简单,操作方便.但是对于一些特殊的高度非线性功能函数,二次多项式响应面法不能准确获得验算点或者无法收敛.支持向量机响应面法对于一些特殊高度非线性功能函数,在合适的参数取值下,能够准确获得验算点,不仅有良好的收敛性,而且有效减少了计算量,提高了计算效率.但是支持向量机响应面法原理较为复杂,而且理论上没有给出参数选取的依据,本文通过算例验证,给出了较通用的参数取值.在BP神经网络响应面法中,由于神经网络响应面函数为高度非线性的函数,改进一次二阶矩法很难准确获得验算点.同时初始样本点的选取对BP神经网络响应面法的计算结果影响较大,由于理论上也无法给出选取的依据,本文采用拉丁超立方体方法抽取样本点,并通过算例验证,给出了较通用的参数取值. (3)传统响应面法在计算结构的可靠指标时需结合改进一次二阶矩法,当结构非线性程度较高时,计算误差较大.本文针对传统响应面法的缺点,提出了两种改进的响应面法,即二次多项式响应面曲率拟合法和二次多项式响应面拉普拉斯渐进积分方法.并通过算例分析表明,本文方法操作简便、在保证较高的计算效率前提下,有效地提高了计算精度. 自上世纪80年代以来,可靠度理论在结构设计中得到了很大发展,很多国家的结构设计规范都采用了可靠度设计方法,如美国的建筑规范、桥梁规范,欧洲标准以及日本和我国的一些结构设计规范等.但是无论是国内还是国外,可靠度理论在很多方面的应用还不是很完善,需要继续深入研究.就我国而言,可靠度理论在建筑工程领域的应用比较早、发展相对较快,而在电力建设工程领域的应用比较晚、发展也相对较慢.本文结合3个科研项目,对可靠度理论在建筑、港工和电网输电线路设计中的有关问题进行了研究,主要包括以下几个方面： 1.针对按现行建筑结构设计规范的分项系数设计方法设计的结构的可靠指标在不同情况下相差较大的问题,提出了建筑结构基于可靠指标的设计方法,其中优化确定了荷载与抗力的灵敏度系数,将其表示为荷载效应比的线性函数,从而建立了分项系数与荷载效应比的简化关系式.计算表明,按本文方法设计的结构的可靠度与目标值具有较好的一致性. 2.针对现行建筑结构规范正常使用极限状态设计中的频遇值系数和准永久值系数是按经验确定的问题,根据收集的楼面活荷载与风荷载的统计资料,采用统计原理确定楼面活荷载与风荷载频遇值系数和准永久值系数；针对混凝土规范对正常使用极限状态裂缝宽度验算所采用的荷载组合的修订,分别按规范规定和本文确定的准永久值系数对钢筋混凝土受弯构件的最大裂缝宽度极限状态进行了可靠度分析.结果表明,规范修订后准永久组合下最大裂缝宽度极限状态的可靠度满足统一标准的要求. 3.根据海洋环境中钢筋混凝土结构的工作特点,建立了钢筋未锈蚀、钢筋已锈蚀但混凝土保护层未开裂和混凝土保护层已开裂3个阶段的钢筋锈蚀概率模型；采用Monte-Carlo方法对钢筋锈蚀率和3种锈蚀状态的发生概率进行了统计分析；采用建立的钢筋锈蚀率概率模型,对满足港工规范最低耐久性要求的钢筋混凝土受弯构件的时变可靠度进行了分析.结果表明,某时刻钢筋的锈蚀率服从正态-正态*分布；结构在海洋环境中暴露时间越长,钢筋未锈蚀和保护层未开裂的概率越小,锈蚀钢筋混凝土构件的可靠度随时间明显降低. 4.根据收集的有关荷载、抗力的统计数据和有关标准的验收规定,确定了一般输电线路永久荷载、风荷载、覆冰荷载及杆塔构件、绝缘子、金具和导线抗力的统计参数和概率模型,采用考虑随机变量概率分布类型的一次二阶矩方法对按现行输电线路规范设计的输电线路的相关组件进行了可靠度校准,为确定跨高铁输电线路杆塔构件、绝缘子、金具和导线的目标可靠指标提供了依据. 5.根据对一般输电线路的可靠度校准结果,提出了跨高铁输电线路杆塔构件、绝缘子、金具和导线的目标可靠指标；建立了杆塔构件重要性系数以及绝缘子、金具和导线的安全系数与可靠指标的关系,从而可直接通过重要性系数或安全系数对输电线路进行可靠度设计. 结构可靠度设计是目前结构设计理论发展的重要方向之一.大型结构组成复杂,很多情况下可靠度分析的功能函数是非线性且隐式的,采用传统的方法进行可靠度分析有一定困难.本文实现了可靠度计算与SAP2000软件的联接,对三种典型的大型结构进行了基于变形的可靠度研究.主要内容总结如下： (1)介绍了结构可靠度指标的通用计算方法和SAP2000的二次开发技术.在此基础上将两者结合起来提出一种针对大型结构的可靠度分析方法,该方法合理利用了SAP2000软件强大的有限元分析功能.通过算例验证了该方法的正确性. (2)介绍了Pushover方法的原理,对框架结构的Pushover分析进行了抗震可靠度研究.其重可靠指标计算程序采用FORTRAN语言编写,目标位移采用能力谱法计算,Pushover曲线通过SAP2000软件分析输出,SAP2000的一次开发实现了FORTRAN程序对SAP2000的调用.最后用一个算例阐述了基于Pushover的抗震可靠度分析过程. (3)介绍了网架结构的荷载计算和支座的设计.通过Matlab编程将用MSTCAD设计好的网架导入到SAP2000中；对网架结构进行了正常使用极限状态下的可靠度分析.其中可靠指标通过FORTRAN语言编程计算,网架挠度通过SAP2000软件分析输出.SAP2000的二次开发实现了SAP2000挠度分析参与到可靠度迭代计算中.最后用一个算例说明了网架结构的设计和可靠度分析过程. (4)介绍了采用SAP2000进行苏通大桥建模的要点；对苏通大桥进行了主梁正常使用极限状态下的可靠度分析.其中可靠指标通过FORTRAN语言编程计算,斜拉桥的挠度通过SAP2000软件分析输出.SAP2000的二次开发使得SAP2000的挠度计算参与到可靠度迭代计算中. 1000kV线路相对于500kV线路,线路输送容量和线路投资提高数倍,对整个电网的安全稳定运行的影响也大幅提高.杆塔结构作为输电线路的直接支撑结构,其安全可靠性直接关系到整个线路的安全可靠性,应如何选取一个合适的值,是一个值得研究的问题. 本文针对这一问题,主要开展了如下研究工作： 我国已建的500kV输电线路可靠度分析 我国500kV线路的杆塔设计已积累了丰富的工程设计经验,并已形成了较为系统的杆塔结构设计规程,研究500kV输电线路结构可靠度对确定1000kV特高压输电杆塔可靠度具有借鉴意义.首先按目前国际上通用