响应量分布函数求解的子集模拟方法及其应用

在马尔科夫链Monte Carlo子集模拟法的基础上,提出了响应量分布函数求解的子集模拟方法.所提方法利用子集模拟在计算小失效概率时引入一系列具用较大失效概率的中间失效事件的特点,通过提取引入的每个中间失效事件对应的门槛值和失效概率,求解得到响应量完整的分布函数,并将所求得的分布函数用于基本变量的总效应和主效应分析.在详细给出了响应量分布函数求解子集模拟法的原理和主要步骤后,利用简单数值算例对所提方法的精度和效率进行了验证,结果表明所提方法在效率比Monte Carlo法大大提高的基础上精度也能满足要求.     

并联系统可靠性分析的马尔可夫链线抽样方法

为了使并联系统失效概率估计值的方差大大减小, 依据并联系统重要方向的定义和单 模式线抽样方法的基本原理,建立了适用于并联系统可靠性分析的马尔可夫链线抽样方法,给 出了并联系统马尔可夫链线抽样方法失效概率估算的具体实现步骤.所提方法采用马尔可夫 链模拟系统失效域的条件样本来获取重要方向,并同时利用这些条件样本进行线抽样分析 估计并联系统的失效概率.由于所提方法将重要方向的求解与线抽样估计失效概率所需的 样本合二为一,充分利用了马尔可夫链条件样本所提供的分布信息,因而计算效率得到明显提 高,尤其针对小失效概率问题.文中算例对所提方法进行了验证,结果表明所提方法是合理可行的.     

基于重要抽样马尔可夫链模拟的可靠性参数灵敏度分析方法

针对重要抽样法求解失效概率的问题,提出了一种基于重要抽样马尔可夫链模拟的快速可靠性参数灵敏度分析方法。该方法首先采用Metropolis准则和马尔可夫链模拟,将重要抽样法抽取的落入失效域中的样本点转化为条件样本点,这些条件样本点是落在失效域中的基本变量的实现,它们服从失效域条件下基本变量的概率分布,利用这些样本点替代Monte Carlo法抽取的条件样本点,可以通过加权回归分析快速得到隐式极限状态方程的近似,进而得到可靠性灵敏度。所提方法的显著优点是效率高,它只要在重要抽样法计算失效概率的结果中增加非常小的工作量,即可以快速得到可靠性参数灵敏度,算例结果充分说明所提方法的效率和合理性。     

结构全局失效概率函数估计的自适应增强线抽样方法

针对结构可靠性分析和设计中参数失效概率函数的求解难题，提出一种自适应增强线抽样的失效概率函数全局估计方法。所提方法通过一种自适应策略在设计参数空间特定值处，运用增强线抽样方法得到一系列局部失效概率函数估计；提出基于变异系数最小的最优组合算法，将各局部失效概率函数估计融合成全局的失效概率函数估计。所提方法与已有方法相比，进一步提高了失效概率函数估计的精度和效率。通过给出数值和工程算例说明所提方法适用性及在分析计算精度和效率上的优越性。     

基于Bootstrap方法的堆石坝坝坡稳定可靠度分析

基于Bootstrap方法提出了一种堆石坝坝坡稳定可靠度分析方法.首先,介绍了一种堆石坝坝坡稳定可靠度分析方法;其次,运用Bootstrap方法对抗剪强度参数的边缘分布函数及表征相关性的Copula函数的统计不确定性进行了度量;最后,以糯扎渡水电站心墙堆石坝为例研究了边缘分布函数与Copula函数的统计不确定性对堆石坝坝坡稳定可靠度分析结果的影响规律.结果表明:基于抗剪强度参数试验数据估计的边缘分布函数与Copula函数具有较大统计不确定性;Bootstrap方法可以有效地模拟边缘分布函数和Copula函数的统计不确定性并将坝坡稳定失效概率表征为具有一定置信水平的置信区间;同时考虑边缘分布参数、边缘分布类型、相关系数与相关结构统计不确定性与仅考虑边缘分布参数与相关系数的统计不确定性相比将使失效概率具有更大变异性,且失效概率均值更大,忽略分布类型和相关结构的统计不确定性将高估堆石坝坝坡的实际稳定状况.     

状态模糊情况下矩独立重要性测度及其态相关参数解法

为了有效分析基本输入变量在状态模糊情况下对系统模糊失效概率的影响,通过比较条件模糊失效概率与无条件模糊失效概率之间的差异,定义了一种输入变量对模糊失效概率的矩独立重要性测度指标.所提指标不仅可以定量反映每个输入变量对模糊失效概率这种矩独立响应量的影响大小,而且通过解析变换,揭示了所提矩独立重要性测度指标与相应的基于方差的重要性测度指标之间的内在联系,并将所提矩独立重要性测度转化成基于失效域模糊隶属函数方差的重要性测度.基于这种转换及控制理论中的状态依存参数模型,建立了求解所提矩独立重要性测度指标的态相关参数(SDP)法,极大程度地提高了所提指标的计算效率.最后,针对3种不同的模糊失效域隶属函数形式,通过算例表明了所提的矩独立重要度指标的可行性、合理性以及态相关参数方法的精确与高效.     

混合数据信息下不确定性描述的改进最大熵函数法

可靠性分析的基础在于不确定性的精确描述。工程实际中由于个别变量信息缺乏只能确定其区间范围,提出描述区间和离散点混合不确定性的改进最大熵函数法。该方法建立不同类型数据不确定性的联合熵函数,应用插值技术得到描述区间和离散点混合数据信息下不确定性的非参数概率密度函数,通过优化联合熵函数最大,确定非参数概率密度函数在原始数据空间上下限内均匀离散点处的概率密度值。相比于传统非参数概率确定方法,所提方法将传统分布参数估计寻优过程转化为在原始数据空间内对自定义随机离散点处的概率密度值优化,进而使用插值技术得到描述区间和离散点数据混合不确定性的最少偏见概率密度函数,其混合不确定性描述精度由自定义的随机离散点多少来确定,精度按需可控。此外,在概率理论框架下,尝试将输入混合不确定性信息向输出传递,完成输出响应的可靠性分析。所提方法计算量和精度可通过自定义离散点数量控制,对原始数据不确定性信息挖掘更充分。算例表明所提方法科学性和合理性,为概率理论用于混合不确定性分析奠定基础。     

核函数的性质及其在灵敏度分析上的应用

推导了多维随机变量情况下不含交叉项的二次功能函数统计矩对基本变量分布参数灵敏度的通用解析表达式。基于核函数的性质,对正态分布情况给出了二次不含交叉项功能函数统计矩对基本变量分布参数灵敏度的理论解,并给出了该情况下失效概率对基本变量分布参数灵敏度的近似表达式。证明了三分布参数情况下前三阶统计参数之间的独立性,并在此基础上以三参数W eibull分布为例推导了其核函数的性质,将这些性质代入功能函数统计矩灵敏度的通用解析表达式,即可解析求得三参数W eibull分布情况下函数统计矩对基本变量分布参数的灵敏度。数字仿真算例结果表明:所推导的函数统计矩的灵敏度解析表达式是正确的,所推导的失效概率灵敏度近似表达式也具有较高的计算精度。     

基于核密度估计的自适应重要抽样可靠性灵敏度分析

将求解结构失效概率的核密度自适应重要抽样方法推广到可靠性灵敏度的求解上.它首先利用马尔可夫链快速模拟失效域中的样本,然后采用核密度估计得到样本的密度函数,将之作为重要抽样密度函数.该密度函数将随着马尔可夫模拟样本的增加而趋于最优化的密度函数.将该方法运用到结构可靠性灵敏度的分析求解上,给出了可靠性灵敏度估计值及估计值方差和变异系数的计算公式.所提灵敏度分析方法将具有极高的抽样效率,不依赖于设计点值,且可处理多模式的系统结构问题,具有广泛的应用范围,最后给出的算例亦说明了文中所提方法比直接Monte Carlo方法具有更高的精度和效率.     

工程p-S-N曲线的小子样预测方法研究

基于非嵌入多项式混沌(NIPC)展开及贝叶斯更新方法,提出一种中等寿命区p-S-N曲线的小子样预测方法。该方法运用较少应力水平下的小子样疲劳寿命数据样本,采用优化方法求解Basquin应力-寿命模型参数的样本数据;由此建立NIPC展开式并进行大子样抽样计算,通过大子样拟合优度检验,得其概率特性,继而拟合模型参数统计量与应力水平的关系。为改进模型参数统计量的预测精度,引入另一应力水平下的小子样试验数据,运用贝叶斯更新方法对模型参数统计量进行修正;由此通过Nataf变换对任意应力水平下模型参数进行抽样,代入模型计算获得疲劳寿命样本,进一步统计获得其概率分布,即完成基于小子样的p-S-N曲线预测。完成了铝合金2024-T3疲劳试验,各应力水平下试验寿命均落于预测概率疲劳寿命的上下95%分位数区间内,表明新方法得到的p-S-N曲线可有效预测疲劳寿命的概率特性。     

失效概率计算的截断重要抽样法

在结构可靠性分析中,传统的重要抽样法通过将抽样中心移到设计点处,从而提高了抽样效率。在传统的重要抽样方法基础上,通过引入截断的重要抽样函数,提出了失效概率计算的截断重要抽样法。与传统的重要抽样法相比,所提方法将重要抽样的区域控制在以均值点为球心的超球之外,从而进一步提高了抽样效率。推导了截断重要抽样方法的失效概率估计值的方差和变异系数计算公式。算例结果表明:在相同的抽样次数下,截断重要抽样法比传统的重要抽样法具有更小的失效概率估计值变异系数,而在相同的计算精度下,截断重要抽样法所需的样本数更小,这说明截断重要抽样法比传统重要抽样法具有更高的效率。     

岩体等效抗剪强度概率特征值评估在边坡稳定性可靠度分析中的应用

为消除因采用Hock-Brown准则中间变量而导致评估等效抗剪强度参数概率特征时产生累积误差,针对Hoek-Brown准则各变量具可变性和不确定性,提出应直接由基本变量人手来评估.在简要介绍Hoek-Brown准则基础上,选用了Rosenblueth点估计法和Monte-Carlo抽样法对边坡岩体的等效抗剪强度概率特征值以及边坡稳定性可靠度和破坏概率进行了对比计算分析.尽管2种方法计算结果差异很小,但是与Monte-Carlo抽样法相比,Roseriblueth点估计法计算量明显减小.而Rosenbheth点估计法较为简单,因此工程中可以用它来估计岩体有关参数概率特征值、稳定性可靠度和破坏概率.     

基于载荷试验的夯实水泥土桩复合地基模糊随机可靠度分析

基于夯实水泥土桩复合地基载荷试验数据,以复合地基的沉降率为分析变量,考虑了变量的随机性及破坏失效的模糊性．采用概率统计方法确定变量的参数分布,用模糊统计方法确定失效准则的隶属函数,利用概率理论与模糊数学的概念建立复合地基失效的模糊失效概率和可靠度计算的方法,并通过实例分析了目前夯实水泥土桩复合地基载荷试验的可靠度指标．     

高维小失效概率可靠性分析的序列重要抽样法

针对工程实际中大量存在的高维小失效概率问题,提出了基于子集模拟的序列重要抽样法。该方法首先利用子集模拟的基本思路,通过引入合理的中间失效事件将概率空间划分为一系列的子集,然后再依据重要抽样法的思想,逐步构造序列重要抽样函数来求得失效概率的估计。文中给出了序列重要抽样法求解高维小失效概率的基本步骤,并用算例验证了所提方法的效率和可行性。数值算例和工程算例的结果均表明,基于子集模拟的序列重要抽样法不依赖于极限状态方程的形式,且适用于非正态分布随机变量,其可靠性分析结果有很高的计算精度。     

基于贝叶斯推理的标准k－ε湍流模型参数识别

为了降低湍流模型湍流参数不确定性给工程湍流问题求解带来数值误差,以后台阶流动为例研究了适用范围很广的k-ε湍流模型的参数识别问题.针对模型和实验数据的不确定性而采用了贝叶斯概率反演方法,该方法集成了有限单元法的正向计算和Metropolis-Hastings抽样算法的反向计算,从而给出在流速测量值已知的条件下标准k-ε湍流模型参数的后验概率分布.算例计算表明,采用参数识别后的参数值进行计算比传统推荐值有效地降低了数值误差.     

中国与欧洲规范关于坝坡抗滑稳定分析方法的比较

对中国《碾压式土石坝设计规范》(DL/T 5395-2007)和欧洲岩土工程设计规范Eurocode 7关于坝坡抗滑稳定分项系数设计方法进行了较为系统的比较.着重比较了分项系数设计法的分项系数取值、参数特征值取值以及抗滑稳定计算方法三方面.通过一个土石坝算例研究了中国与欧洲规范关于分项系数设计方法在土石坝抗滑稳定分析中的应用,并从相当安全系数和失效概率两方面对两规范安全度水平进行了对比.由算例分析可以看出基于概率极限状态设计原则的分项系数设计方法可以更好地考虑设计参数的不确定性.欧洲规范设计的土石坝抗滑稳定失效概率明显大于中国规范设计的土石坝抗滑稳定失效概率.基于Eurocode 7推荐的Schneider方法和中国规范规定的小值平均值确定的特征值计算的失效概率略大于采用参数均值计算的失效概率.     

随机-区间混合不确定性多输出模型确认指标

为解决随机和区间变量共存条件下的多输出模型确认问题,提出了一种新的模型确认指标.首先,依据概率方法和区间理论,分析了随机输入变量在实现值条件下随机-区间混合不确定性多输出模型的特点;然后,将基于马氏距离的随机不确定性多输出模型确认方法,推广到随机-区间混合不确定性因素影响下的多输出模型确认之中,定义了一种新的多输出模型确认指标.该指标运用模型输出响应量与试验输出响应量的上、下界马氏距离分布函数曲线之间的面积差异,度量随机-区间混合不确定性条件下多输出模型预测结果与试验结果之间的不一致性.最后,讨论了所提指标的数学性质,给出了指标的计算方法和步骤,通过一个数值算例和一个工程算例验证了指标的正确性与有效性.研究结果表明,当样本数据量充足时,新的模型确认指标能够有效地度量模型输出响应量与试验结果之间差异程度,正确地判断不同多输出模型的优劣,适合于随机-区间混合不确定性因素影响下的多输出模型确认问题.     

考虑土体参数空间变异性的边坡稳定性研究

为考察土体强度参数空间变异性对评价边坡稳定的影响, 以及使用概率方法评价对边坡稳定的适宜性, 以简易Morgenstern-Price法对土体参数空间变异性条件下的边坡稳定性进行了计算分析.通过Karhunen-Loève法对参数的空间协方差矩阵进行正交分解,并使用拉丁超立方抽样法和Cholesky法对空间场进行优化处理,确定了边坡土体的强度参数空间样本取值,完成了空间随机场的生成;以简易Morgenstern-Price法对参数空间变异边坡进行安全系数求解和破坏概率计算.对生成土体参数的抽样检验发现,拉丁超立方抽样和Cholesky分解共同使用后生成的抽样样本能很好地吻合目标分布.边坡稳定性计算分析显示,在抽样计算所得的边坡失稳收敛概率与Monte Carlo方法非常接近的情况下,抽样随机场能极大地降低模型达到收敛所需的计算次数,表明抽样方法用来计算边坡的失稳概率是可行的.对给定边坡的概率性失稳的研究表明：单独使用安全系数或者失效概率都无法完整地对边坡稳定性作出评价,只有同时使用两者,边坡的安全评价才会更加安全有效.     

基于概率加权矩的三参数Weibull分布母体百分位值和可靠度置信限估计的新方法

利用概率加权矩对Weibull分布三个参数的无偏估计以及Bootstrap方法再抽样的统计特性,文章提出了一种三参数Weibull母体百分位值置信限和可靠度置信限估计的新方法,所提方法概念清晰且易于实现。大量的数字模拟表明:所提方法在计算精度和效率方面均优于已有的估计方法,实际应用算例也表明所提方法具有较高的工程实用性。     

参数统计不确定性对堆石坝坝坡稳定可靠度的影响

由于岩土工程现场勘查的测量数据非常有限,土性参数的均值μ、标准差σ、相关系数τ的真实值无法获得,其参数θ=(μ_c,σ_c,μ_φ,σ_φ,τ)存在的不确定性为统计不确定性,忽略统计不确定性会对可靠度分析产生很大的偏差.以糯扎渡心墙堆石坝实测数据为例,研究了参数统计不确定性对坝坡稳定可靠度分析的影响.首先介绍了传统的堆石坝可靠度分析方法,然后提出了一种基于马尔科夫链蒙特卡罗模拟(Marcov Chain Monte Carlo Simulation,MCMCS)的贝叶斯方法,通过后验概率密度函数f(θ|Data)获得足够多的MCMC(Marcov Chain Monte Carlo)样本来完全表征参数的统计不确定性.结果表明,当所获得的MCMC样本一部分处于高风险区域,所求得的失效概率会远比传统方法要大.传统可靠度分析方法会低估坝坡的失效概率,这对于坝坡可靠度分析非常不利,在坝坡可靠度分析中考虑统计不确定性是很有必要的.