任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析

在刚度可靠性设计理论与灵敏度分析方法的基础上,研究了任意分布参数的梁结构刚度可靠性灵敏度分析问题,提出了刚度可靠性灵敏度分析的计算方法,给出了可靠性灵敏度的变化规律,研究了设计参数的改变对梁结构刚度可靠性的影响,为任意分布参数的梁结构刚度可靠性设计提供了理论依据。     

基于区间模型的结构非概率稳健优化设计

采用区间模型描述不确定参数,在考虑传统约束条件基础上,增加了可靠性指标作为约束条件,研究结构的稳健性优化设计.从非概率可靠性指标的几何意义出发,寻找非概率可靠性指标目标值与不确定参数的波动范围的关系,将非概率的稳健优化设计转化为两层优化模型.对于非线性功能函数,内层优化根据非概率可靠性指标的波动范围最小化功能函数,从而避免了内层优化直接计算非概率可靠性指标难的问题.对于线性功能函数,不确定性参数可以表示为非概率可靠性指标目标值的显示表达式,两层稳健优化转化为确定性的单层优化.该方法优化描述明确清晰,计算公式简便,计算效率高.算例验证了本文所提方法的可行性和正确性.     

基于神经网络的机械零部件可靠性稳健设计

将可靠性优化设计理论、可靠性灵敏度技术和可靠性稳健设计方法相结合,利用神经网络的非线性映射功能,模拟得到随机设计变量与机械零部件结构响应之间的关系,以训练好的神经网络模型为基础,结合随机摄动技术,进行结构可靠性稳健设计.从而解决了工程实际中很难给出极限状态函数的显性表达式问题,并有效地克服了目前随机有限元法和响应面法存在的缺陷.     

动态结构系统的频率可靠性稳健设计研究

针对随机动态结构系统振动问题进行研究,提出了系统避免共振的频率可靠性分析方法;在此基础上,推导出频率可靠性灵敏度计算公式,研究设计参数的改变对随机动态结构系统频率可靠性的影响,给出各随机参数可靠性灵敏度的变化规律;并将频率可靠性及其灵敏度分析方法与可靠性优化设计方法相结合,提出了频率可靠性稳健优化设计方法,同时以一简化的两自由度的车身-车轮-路面关系的1/4离散系统模型为例,对该模型进行了频率可靠性稳健设计的研究,其理论计算结果与工程实际情况完全一致,也说明了所提方法的有效性和实用性,为随机动态结构系统的设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的理论依据。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下,采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下, 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题,优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差,约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

正态和非正态分布下结构系统的可靠性分析

本文在分析现有计算方法的基础上,提出了适合于多种结构系统可靠性分析的五种评价衡准.在失效概率的计算过程中,考虑了多种分布形式及随机变量间、失效形式间的相关性,从而为结构系统的最优可靠性设计提供了可靠的设计依据。     

基于非概率模型的结构可靠性优化设计

结构设计受控于诸多因素的不确定性。基于可靠性方法的优化设计是结构设计的合理途径。不确定结构的可靠性优化设计，通常是用概率模型求解。但概率模型的应用是以有足够的数据信息为基础的。且结构的概率可靠性优化设计通常计算量很大，设计效率低。本文基于不确定性的凸集模型描述，提出了一种不同的基于非概率可靠性的结构优化设计模型。它只需知道不定参量的界限，而不要求其分布型式。可显著降低可靠性优化的计算工作量。且由于对初始数据的要求低，具有较强的适用性。实例计算表明文中方法是实用和有效的。     

结构的非概率可靠性方法和概率可靠性方法的比较

对文[8]中提出的非概率可靠性方法和广泛使用的传统的概率可靠性方法，在建模思想、模型结构和基于可靠性的结构优化设计等方面进行了比较研究。进一步阐释了有关概念。得到了一些有益的结论。说明了非概率可靠性方法的有效性和实用性。由于非概率可靠性模型对已知数据的要求较低，计算过程较为简便，从而可使结构可靠性分析和设计中获取数据的难度大大降低。并有效降低计算工作量。在所掌握的原始数据较少的情况下，非概率可靠性方法为结构的可靠性计算提供了一种较好的选择。     

结构体系的非概率可靠性分析方法

结构体系的可靠性与结构的失效模式有关。在非概率条件下 ,结构体系的可靠性取决于非概率可靠性指标最小的最危险失效模式。最危险失效模式的识别及相应极限状态方程的建立是结构体系非概率可靠性计算的关键问题。文中考虑了结构参数及强度、外载荷等参量的不确定性 ,基于随机可靠性方法中常用的优化准则法 ,提出了非概率结构体系主要失效模式的枚举准则。可在只需枚举出少量主要失效模式的情况下 ,不漏掉最危险失效模式。并提出用区间增量载荷法生成主要失效模式的极限状态方程。算例分析表明文中方法是实用和有效的。     

基于区间模型的结构非概率可靠性优化

采用区间变量描述不确定参数,研究了结构非概率可靠性优化问题。基于区间模型描述不确定信息这一前提,针对Elishakoff的非概率可靠性指标,给出了其几何解释和求解方法。建立了以结构重量为目标函数、以非概率可靠性指标为约束条件的非概率可靠性优化模型。算例分析表明:该非概率可靠性优化方法能够考虑不确定信息的影响,对结构重量进行合理分配。该方法为结构非概率可靠性优化提供了一种新的思路。     

APPLICATION OF SURROGATE BASED PARTICLE SWARM OPTIMIZATION TO THE RELIABILITY-BASED ROBUST DESIGN OF COMPOSITE PRESSURE VESSELS

A surrogate based particle swarm optimization （SBPSO） algorithm which combines the surrogate modeling technique and particle swarm optimization is applied to the reliability- based robust design （RBRD） of composite pressure vessels. The algorithm and efficiency of SBPSO are displayed through numerical examples. A model for filament-wound composite pressure vessels with metallic liner is then studied by netting analysis and its responses are analyzed by using Finite element method （performed by software ANSYS）. An optimization problem for maximizing the performance factor is formulated by choosing the winding orientation of the helical plies in the cylindrical portion, the thickness of metal liner and the drop off region size as the design variables. Strength constraints for composite layers and the metal liner are constructed by using Tsai-Wu failure criterion and Mises failure criterion respectively. Numerical examples show that the method proposed can effectively solve the RBRD problem, and the optimal results of the proposed model can satisfy certain reliability requirement and have the robustness to the fluctuation of design variables.     

变截面含筋夹层复合材料悬臂结构刚度特性规律研究

含筋夹层复合材料悬臂结构现已在舰船工程应用中得到关注,然而因为变量众多,在方案设计阶段对弯曲刚度特性的把握往往较为困难.对此,首先基于典型结构应用背景需求,建立了变截面含筋夹层复合材料梁弯曲刚度理论计算模型;进而制作结构模型,开展刚度特性试验研究,通过试验与计算结果的对比,验证了计算方法的有效性;最后探讨了各主要构件材料参数、面板混杂纤维含量、面腹板截面分配以及腹板铺层比例对刚度的影响规律,所得结论可为变截面含筋夹层复合材料悬臂结构方案设计提供参考.     

有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析模型

钢筋混凝土梁的挠度计算通常不计入剪切变形的贡献,然而对于斜向开裂的有腹筋混凝土梁,斜裂缝会显著降低梁体的有效剪切刚度,导致剪切变形值显著增大,因此在验算评估时应予以考虑.为评价钢筋混凝土梁斜向开裂后的有效剪切刚度,首先,基于变角桁架模型推导了钢筋混凝土梁在箍筋屈服状态下的有效剪切刚度;与弹性剪切刚度比较发现,剪切刚度退化系数的主要影响因素为材料弹模比、配箍率和斜压杆倾角.其次,基于试验剪切变形曲线表现出的刚度退化规律,提出了可用于不同开裂程度下剪切刚度计算的恒定切线刚度退化模式,并采用开裂后的剪力增量作为反映开裂程度的定量指标.最后,根据最小能量原理得到了剪切刚度退化中两个关键参数:斜压杆倾角和剪切刚度退化系数的解析公式.通过2根薄腹混凝土梁剪切变形试验以及收集的15个受剪梁段的剪切变形数据对模型有效性进行了验证,验证结果表明:有腹筋混凝土梁剪切刚度分析模型能较为准确地预测箍筋屈服状态的剪切刚度,并能反映不同开裂程度下的剪切刚度退化规律.     

从栋梁之才到分类卓越--漫谈梁截面的合理设计

本文针对梁的截面设计,展示了随时代变迁其发展历程,并结合工艺与材料讨论了梁截面设计思路,可为材料力学教师与学生全面认识与理解弯曲梁的合理设计提供课堂教学补充材料。     

基于鲁棒性优化的桁架结构失效-安全设计

基于鲁棒优化思想, 提出了桁架结构失效-安全优化设计问题的双层规划算法. 其中上层规划用来寻找杆件的最优尺寸, 而下层规划的目标是确定结构最不利的失效模式. 为了获得下层优化的全局最优解, 以保证所得到的最优结构真正安全可靠, 特别地还发展了相关问题求解的混合0-1规划算法. 与以往研究工作相比, 该方法不需要预先假定破坏模式, 因此更容易获得理论上最优的结果. 数值算例表明了所提出方法的有效性.      

THE REASONABLE DESIGN OF BEAM SECTION

本文针对梁的截面设计,展示了随时代变迁其发展历程,并结合工艺与材料讨论了梁截面设计思路,可为材料力学教师与学生全面认识与理解弯曲梁的合理设计提供课堂教学补充材料。     

一种含负刚度元件的新型动力吸振器的参数优化

提出了一种含有负刚度弹簧元件的新型动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了详细研究. 通过拉氏变换得到了系统的解析解,发现该系统存在着两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优阻尼比和最优频率比. 进一步研究发现接地刚度取负值时能够得到更好的减振效果,根据负刚度的特性得到了在保证系统稳定情况下的最优负刚度比. 通过数值解与解析解的对比证明了解析解的正确性. 通过与两种已有的典型动力吸振器模型在简谐激励和随机激励情况下的对比,说明了负刚度模型在主系统减振方面具有很大的优势,减振效果远优于两种已有动力吸振器模型,从而为设计新型动力吸振器模型提出了理论上的依据.      

多工况线性结构稳健拓扑优化设计

针对实际工程中存在的多工况、载荷不确定的情况, 研究了概率方法表示载荷不确定性的多工况线性结构稳健拓扑优化设计方法. 基于线弹性位移叠加原理给出了多工况、不确定性条件下结构柔度均值与方差的计算方法, 并在此基础上推导了结构灵敏度公式. 对于承受M个工况的二维结构, 根据每个工况下的柔度均值和方差以及灵敏度信息求出其结构整体的均值、方差及灵敏度信息;而结构在单工况n个不确定载荷下的均值方差及灵敏度信息可以通过求解其在2n个确定性载荷工况下的位移求得. 提出了以结构整体柔度均值和标准差的加权和最小为目标、体积约束下的稳健拓扑优化设计方法. 数值算例验证了所提方法的正确性和有效性以及载荷不确定、多工况条件下优化设计结果的稳健性. 该设计方法可以很方便的推广到三维结构问题.      

RELIABILITY-BASED DESIGN OF COMPOSITES UNDER THE MIXED UNCERTAINTIES AND THE OPTIMIZATION ALGORITHM

This paper proposed a reliability design model for composite materials under the mixture of random and interval variables. Together with the inverse reliability analysis technique, the sequential single-loop optimization method is applied to the reliability-based design of composites. In the sequential single-loop optimization, the optimization and the reliability analysis are decoupled to improve the computational efficiency. As shown in examples, the minimum weight problems under the constraint of structural reliability are solved for laminated composites. The Particle Swarm Optimization （PSO） algorithm is utilized to search for the optimal solutions. The design results indicate that, under the mixture of random and interval variables, the method that combines the sequential single-loop optimization and the PSO algorithm can deal effectively with the reliability-based design of composites.     

SUPPRESSION OF BENDING WAVES IN A PERIODIC BEAM WITH TIMOSHENKO BEAM THEORY

Active control of bending waves in a periodic beam by the Timoshenko beam theory is concerned. A discussion about the possible wave solutions for periodic beams and their control by forces is presented. Wave propagation in a periodic beam is studied. The transfer matrix between two consecutive unit cells is obtained based on the continuity conditions. Wave amplitudes are derived by employing the Bloch-Floquet theorem and the transfer matrix. The influences of the propagating constant on the wave amplitudes are considered. It is shown that vibrations are still needed to be suppressed in the pass-band regions. Wave-suppression strategy described in this paper is employed to eliminate the propagating disturbance of an infinite periodic beam. A minimum wave-suppression strategy is compared with the classical wave-suppression strategy.