结构可靠度分析的响应面法和随机响应面法的比较

从拟合功能函数方法、计算精度与效率、收敛性等方面对响应面法和随机响应面法进行了系统地分析.算例表明:与响应面法相比,随机响应面法实现了真正意义上的非侵入式分析.响应面法采用二次多项式响应面函数仅仅在验算点附近能较好地拟合真实功能函数,而随机响应面法采用高阶Hermite随机多项式,能在整个空间上很好地拟合真实功能函数.当随机变量个数较少时,随机响应面法的计算精度和效率均优于响应面法.并且随机响应面法可进行自身的收敛性分析,确定最优阶次的计算结果作为精确解,其收敛性也优于响应面法.     

基于帕德逼近响应面法的边坡可靠度分析

边坡工程在进行稳定性分析评价时,通常其功能函数呈现出高度非线性隐式特性,从而导致无 法直接求解其可靠度。因此,提出将数值分析中的帕德有理逼近与可靠度分析中的响应面法相结合,利用帕 德逼近有理多项式拟合响应面函数。并采用拉丁超立方试验构造样本,将样本数据代入简化 Bishop 算法中 得到边坡功能函数值,求解得到代理模型待定系数,从而实现隐式功能函数显式化。且基于 Matlab 程序语 言编制 JC 法可靠度指标计算程序,建立了基于帕德逼近有理多项式的边坡稳定可靠度分析新方法（PRSM）。 通过两个经典的边坡算例,验证了所提方法的可行性、计算的高效性及准确性。最后,将所提方法应用于某 实际边坡工程中,计算结果表明,该边坡工程失稳的可能性较低,与实际监测结果吻合。     

西安白鹿塬北缘黄土边坡稳定的可靠度分析

在西安白鹿塬北缘实测了14个黄土自然边坡断面,建立了地质模型,通过采样测试并收集已有的测试资料,获得了各时代黄土地层的物理力学参数,将Morgenstern-Price法稳定性计算公式作为极限状态方程,分别采用Monte-Carlo法和Duncan法进行了边坡稳定的可靠度分析。结果表明:采用Monte-Carlo法和Duncan法得到的14个边坡稳定系数分别为1.11～1.41和1.09～1.33,显示这些边坡处于基本稳定—稳定状态; 采用上述两种方法得到的边坡可靠指标分别为0.56～1.79和0.39～1.60,得到的失效概率分别为3.4%～29.0%和5.5%～34.8%,并且共有75%的边坡失效概率大于10%,失效可能性较大。统计结果表明:白鹿塬区边坡的坡高和坡度存在负相关性。低而陡的边坡潜在最危险滑面剪出口较高,失效概率较小; 坡高达到50 m及以上时,边坡高而缓,剪出口较低,失效概率较大,其中河流下切深,有N₂泥岩出露的极高边坡,稳定性最差。Duncan法求解的稳定系数略小于Monte-Carlo法求得的结果,而前者求解的失效概率略大于后者,两种方法计算结果较为接近。由于Duncan法理论简单,计算量小,更宜于在实际工程中应用。     

考虑参数空间变异性边坡可靠度分析的Kriging方法

提出了考虑土体参数空间变异性边坡可靠度分析的Kriging方法.采用拉丁超立方抽样方法产生样本点,通过Karhunen-Loève(KL)级数展开方法离散土体抗剪强度参数相关对数随机场.基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,利用Kriging模型的优良特性拟合边坡可靠度分析的功能函数,在此基础上采用蒙特卡洛方法计算边坡失效概率,并编写了计算程序.最后研究了该方法在2个边坡可靠度分析中的应用.结果表明:与其他方法相比,该方法在考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析中不仅计算效率高,而且精度也较好,为解决复杂边坡可靠度问题提供了一种新的有效的分析工具.忽略土体参数空间变异性并不一定会导致对边坡可靠度的保守估计,同时应准确地估计抗剪强度间的互相关性.     

边坡系统可靠度分析智能响应面法框架

多失效模式情况下,边坡体系可靠性分析较为复杂.提出了基于计算机试验结合机器学习理论建立边坡系统(体系)可靠度分析智能响应面法的一般框架.边坡体系可靠性分析智能响应面法步骤包括:样本生成、模型参数优化、智能响应面建立、蒙特卡罗模拟计算失效概率.对支持向量机、高斯过程等多种智能机器学习理论用于建立智能响应面的性能进行了对比分析.通过典型边坡的体系可靠度分析,验证了小样本情况下智能响应面法在边坡体系可靠性分析中的可行性和优越性.     

基于概率充分因子的高效土质边坡可靠度优化设计

提出了基于概率充分因子的高效土质边坡可靠度优化设计方法.首先,采用拉丁超立方抽样法抽取设计空间中的设计样本;其次,利用子集模拟确定设计样本的概率充分因子,建立概率充分因子与设计变量(如边坡倾角)的设计响应面;最后,通过优化设计确定既满足目标可靠度水平又满足经济性要求的设计方案.通过一个土质边坡算例说明了算法的有效性.结果表明,概率充分因子可以有效地表征设计是否满足可靠度要求、建立较为准确的设计响应面,设计响应面解耦了可靠度优化设计中双循环过程,有效地提高了可靠度优化设计效率.     

岩质边坡稳定的体系可靠度分析及工程应用

对岩质边坡存在多个滑动面时的体系可靠度进行分析,可以对边坡的稳定性作出更加合理的评价.采用非线性有限单元法,通过降低岩体的强度参数,寻找边坡的潜在滑动面,并定义滑动面上所有单元同时破坏时,作为边坡的失稳模式;针对岩体破坏的特点,按Druker-Prager屈服准则和单轴抗拉强度准则构建失稳模式中单元的功能函数,再采用响应面法和蒙特卡罗法计算单元的可靠指标和相关系数;单一失稳模式是由滑动面上的单元组成的并联体系,为此,研究了一种逐步等效线性化求交法用于计算单一失稳模式的可靠指标;最后,用Ditlevsen窄界限公式估算由各失稳模式组成的串联体系的可靠指标.上述方法得到的可靠指标可用于边坡的稳定性评价.作为工程实例,对某水电站左岸坝肩边坡的体系可靠度进行了分析和评价,验证了本方法的合理性和可行性.     

强降雨条件下花岗岩残积土边坡的时变可靠度

通过研究给定湿润锋深度条件下花岗岩残积土边坡的系统可靠度,追踪湿润锋位置的变化,提出了考虑时变效应的花岗岩残积土边坡系统可靠度分析方法.研究表明,随着降雨时间的增加,边坡上层饱水层位置不断下移.当饱水层位置较浅时,边坡失效概率受最危险滑动面位置控制,且最危险滑动面位于非饱和土层中.随着饱水层厚度增加,边坡失效概率受两个分别位于饱水层和非饱和土层中的滑动面控制,系统效应明显.当饱水层厚度增加到一定程度时,边坡失效概率受位于饱水层中的最危险滑动面控制.对应地,边坡的时变可靠度的发展也分为3个阶段.提出的方法可以有效计算强降雨条件下花岗岩残积土边坡的系统可靠度.     

结构可靠度分析的人工智能响应面法及程序

为了进行各种极限状态方程不明确的大型结构可靠度分析,提出了人工智能响应面法.利用BP网络来模拟响应面,基于遗传算法的优化法来进行可靠指标计算,确定性有限元分析采用ANSYS软件进行.综合VC与Matlab混合编程技术、基于VC和APDL的ANSYS二次开发技术及M atlab的遗传算法(GA)和神经网络(NN)工具箱函数,编制了可以适应各种复杂工程结构的可靠度分析程序.算例分析表明本文方法计算精度高.本文方法与程序适用于随机变量数目较多,功能函数为隐式时的复杂结构可靠度分析.     

响应面法与蒙特卡洛法边坡可靠性评价方法对比研究

考虑影响边坡稳定性的主要因素强度参数c、φ的不确定性,以蒙特卡洛法计算结果作为可靠性分析的基准解,在极限平衡法理论框架下开展不同可靠性评价方法之间的对比研究.采用c、φ为基本随机变量建立二次多项式响应面,以重构功能函数,并结合一次可靠度法和蒙特卡洛法进行边坡可靠性分析.通过对均质边坡的圆弧滑动破坏、非均质边坡的非圆弧滑动破坏、三峡库区谭家坪滑坡破坏这3个案例的可靠性分析结果对比得出:1)二次多项式响应面法原理简单,对于隐式功能函数,有较好的计算精度和求解效率,适用于可靠性分析的近似计算,特别是在参数服从正态分布的情况下,能够达到很高的精度;2)求解响应面时应优先采用Spencer法、MorgensternPrice法,对圆弧滑动面边坡,也可以选用简化Bishop法.     

An improved adaptive response surface method for structural reliability analysis

The response surface method (RSM) is one of the main approaches for analyzing reliability problems with implicit performance functions. An improved adaptive RSM based on uniform design (UD) and double weighted regression (DWR) was presented. In the proposed method, the basic principle of the iteratively adaptive response surface method is applied. Uniform design is used to sample the fitting points. And a double weighted regression system considering the distances from the fitting points to the limit state surface and to the estimated design points is set to determine the coefficients of the response surface model. Compared with the conventional approaches, the fitting points selected by UD are more representative, and a better approximation in the key region is also observed with DWR. Numerical examples show that the proposed method has good convergent capability and computational accuracy.     

可靠性分析的改进加权响应面法

为了克服响应面法(Response surface method简称RSM)在计算大规模工程时效率低下和计算可靠性指标敏感度时偶尔误差大的问题,提出一个高效率的改进加权响应面方法.此方法首先构造一次响应面函数,然后在可能存在失效点的被缩小范围内采用轴向采样来得到样本点,构造二次响应面函数;通过从之前的样本组里增加新的样本点,给予靠近失效点的样本点更高的权重来更新响应面函数.通过几个算例表明:比较双加权响应面方法,此方法具有更高的准确性和计算效率.     

Distributed collaborative extremum response surface method for mechanical dynamic assembly reliability analysis

To make the dynamic assembly reliability analysis more effective for complex machinery of multi-object multi-discipline （MOMD）,distributed collaborative extremum response surface method （DCERSM） was proposed based on extremum response surface method （ERSM）.Firstly,the basic theories of the ERSM and DCERSM were investigated,and the strengths of DCERSM were proved theoretically.Secondly,the mathematical model of the DCERSM was established based upon extremum response surface function （ERSF）.Finally,this model was applied to the reliability analysis of blade-tip radial running clearance （BTRRC） of an aeroengine high pressure turbine （HPT） to verify its advantages.The results show that the DCERSM can not only reshape the possibility of the reliability analysis for the complex turbo machinery,but also greatly improve the computational speed,save the computational time and improve the computational efficiency while keeping the accuracy.Thus,the DCERSM is verified to be feasible and effective in the dynamic assembly reliability （DAR） analysis of complex machinery.Moreover,this method offers an useful insight for designing and optimizing the dynamic reliability of complex machinery.     

多元指数插值响应面方法分析复杂结构可靠度

引入多元指数型插值基函数,采用正交实验设计和有限元分析生成插值点,建立指数插值响应面函数,采用随机投点法和有限元分析生成校核样本点,以校核样本点原函数值与插值函数值距离最小为优化目标,求解多元指数插值函数的待定参数,并构造迭代求解格式控制求解精度,建立了复杂结构可靠度分析的多元指数插值响应面方法.算例分析结果表明,该方法对非线性程度较强的隐式功能函数具有较高的分析精度和效率.     

基于神经网络响应面法的汽轮机叶片强度可靠性分析

对叶片强度进行可靠性分析,当功能函数为随机输入变量的隐性函数时,就无法直接用常规可靠性分析方法得到叶片的可靠度,因此将有限元,神经网络响应面和一阶可靠性方法(FORM)相结合,针对某汽轮机振动实验台的等直叶片,考虑几何参数、材料参数和载荷参数的随机性,在合理构造神经网络结构的基础上,利用有限元数值计算获得神经网络训练样本,通过对样本的学习和训练,获得叶片功能函数与随机变量之间的映射关系;选择非线性S型函数作为网络隐含层的激励函数,利用该函数的一阶导数是其自身函数的特点,推导出了功能函数对随机变量的一阶偏导数,进而采用FORM方法得到了叶片可靠性指标β并完成叶片强度的可靠性分析。将计算结果与Monte-Carlo模拟法进行对比,证明了该方法的正确性和有效性。该方法为后续进一步研究多失效模式下叶片的可靠性分析提供了新的思路。     

基于径向基函数神经网络响应面法的装载机动臂疲劳可靠性

采用解析法与有限元软件ANSYS相结合的方法对装载机的工作过程进行计算,根据雨流法建立工作过程中装载机动臂的应力及应变的时间历程,通过局部应力应变分析得到结构的疲劳寿命。运用神经网络响应面来拟合结构的极限状态函数及其偏导数,利用可靠度理论分析了装载机动臂的疲劳寿命可靠性。