地铁车站增量动力分析的极限状态判定方法

表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态.本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角作为特征指标.以上海某多层地铁车站为背景,建立了土-结构二维有限元模型,采用增量动力分析法研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

LIMIT STATE DETERMINATION FOR A SUBWAY STATION STRUCTURE BY INCREMENTAL DYNAMIC ANALYSIS1)

-5 表征地下结构抗震性能的研究不多,而性能化设计方法需要确定结构物在地震作用下的极限状态. 本文根据地铁车站特点,从结构变形性能和止水性能两个方面定义了抗震性能的四个极限状态,并以结构最大层间位移角 作为特征指标. 以上海某多层地铁车站为背景,建立了土--结构二维有限元模型,采用增量动力分析法 研究该类结构的抗震极限状态,建立了增量动力分析法的地震动强度指标结构底部峰值加速度与结构性能指标最大层间位移角 的关系曲线,给出了该地铁车站结构4个极限状态的最大层间位移角界限值.     

机械可靠性设计的虚拟变量算法

基于改进的一阶二次矩理论,针对单一设计变量问题,本文提出了确定结构可靠性设计参数的一种虚拟变量算法,方法优点是无需解域变换,无需人工计算失效函数的偏导数和无需解失效的极限状态方程,具有较为简便的计算形式和较高的计算效率,可方全地确定结构可靠性设计参数。     

基于高阶矩的稳健优化设计研究

采用随机响应量的前四阶统计矩来度量目标函数和概率约束条件的稳健性, 通过引入“权重因子”来确定新构造的目标函数中原 函数和敏感系数的比重, 利用加权组合法将稳健优化设计这一多目标优化问题转化为单目标问题, 从而建立新的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型. 矩估计方法可高效地评估目标函数和概率约束条件的统计矩, 且不需要搜索技术, 因此不构成嵌套循环(即稳健优化过程是单循环的), 从而可以大大降低优化的计算工作量. 对多个桁架结构进行了确定性优化设计、可靠性优化设计、传统的和该文所提的稳健优化设计, 验证了所建立的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型的合理性和正确性, 比较并解释了计算所得的优化结果.     

基于优化多核极限学习机的车轮多边形磨耗识别

多边形车轮是铁路机车车辆中普遍存在的一种磨损现象, 随着列车运营里程的增加, 车轮磨耗程度显著提升, 严重影响着列车乘坐舒适性和运营安全性, 借助于列车运营监测大数据开展多边形车轮动态检测方法研究具有重要意义. 本研究基于列车轴箱垂向加速度建立了多边形车轮定量识别模型, 首先通过阶次分析识别出轴箱加速度中包含的多边形车轮主要阶次, 同时获取各阶次对应的加速度幅值信息, 在此基础上引入加速度信号熵特征共同构建多边形车轮磨耗幅值识别特征矩阵, 然后建立遗传变异粒子群优化多核极限学习机 (GMPSO-MKELM) 识别模型, 通过特征矩阵与磨耗幅值的映射关系, 进一步实现了车轮多边形磨耗幅值识别. 通过仿真与现场实测数据研究结果表明, 所提出的识别模型能有效地从轴箱加速度中提取多边形车轮主要阶次, 磨耗幅值的识别精度均优于对比模型且具有较高的检测效率, 可实现均方根误差为0.0010 (仿真结果) 与0.0134 (试验结果) 的精确识别, 本文提出的多边形车轮磨耗识别模型可为列车车轮检测与智能维护提供理论基础.      

一种转子系统冲击响应的计算方法—平均速度Newmark-Riccati传递矩阵法

基于平均加速度概念的传统Newmark法无法直接求解状态空间一阶微分方程组,是因为方程中不显含加速度项。提出了采用平均速度Newmark法结合Riccati传递矩阵法,命名为平均速度Newmark-Riccati传递矩阵法(AVN-RTMT),对转子系统进行瞬态响应计算。对方法的稳定性进行了理论分析,证明了其无条件稳定。对于基础受冲击的转子系统,由于平均速度概念和基础冲击激励的引入,系统节点状态矢量传递方程、传递矩阵和系统响应具体求解与经典Riccati传递矩阵法存在很大不同,从而推演出了基于一阶微分形式的节点瞬态传递方程,给出了算法实现响应求解的一般步骤,最终成功地得到了位移、速度和加速度响应的时间历程。并建立了算法验证的实验,验证了算法的准确性。进一步表明AVN-RTMT可以作为一种新的结构瞬态响应计算算法。     

基于支持向量机回归的结构系统可靠性及灵敏度分析方法

提出了一种基于支持向量机回归近似极限状态方程的系统可靠性分析方法,所提方法首先由支持向量机拟合系统各失效模式的极限状态方程,将复杂或隐式极限状态方程近似等价为显式极限状态方程,然后根据系统各个失效模式的逻辑结构,由高精度的显式极限状态方程方法计算系统的失效概率和参数灵敏度.与线性展开和响应面法近似极限状态方程相比,文中方法由于采用了基于结构风险最小化原理的支持向量机回归,因而在拟合非线性极限状态方程上表现优越,计算精度高.与直接蒙特卡洛模拟相比,由于该方法采用较少的样本即可近似出概率等价的显式极限状态方程,因而计算效率大幅提高.工程实例表明:所提方法可以处理串联、并联和混合系统的可靠性与可靠性灵敏度分析,具有工程运用价值.     

基于BP神经网络和Laplace渐进积分法的结构可靠性计算

传统基于代理模型的可靠性研究大多将抽样方法与代理模型相结合,并假定随机变量相互独立,且没有考虑到代理模型的不确定性对失效概率的影响。本文将反向传播(BP)神经网络和Laplace渐进积分法相结合,提出一种结合代理模型和高次阶矩的可靠性计算方法,称之为BP-Lap法。采用Latin超立方抽样技术,结合学习函数选取样本点,基于函数逼近原理,利用BP网络代理极限状态方程及其梯度向量和Hessian矩阵。利用训练好的BP网络通过Laplace渐进积分法求解失效概率,基于十折交叉验证思想,得到失效概率取值区间。通过四个算例,分别在随机变量相关和不相关的条件下,验证了BP-Lap法的有效性。研究表明：BP-Lap法可以衡量代理模型的不确定性对失效概率的影响,得到失效概率的上、下界;BP-Lap法同时适用于显示和隐式的极限状态方程,对相关随机变量的可靠性问题具有较高精度。     

基于降维积分的结构系统可靠性分析研究

复杂结构系统一般具有多个失效模式. 传统系统可靠性分析模型是在假设各失效模式相互独立的条件下建立的. 而在工程实际问题中,由于结构系统的组成单元之间紧密联系,系统的失效模式大多是相互耦合的. 简单地在失效模式相互独立的假设条件下进行系统可靠性分析与评价常常会导致过大的误差,甚至得出错误的结论. 提出一种相关失效模式结构系统可靠性分析方法. 利用降维法和Gauss-Hermite数值积分技术计算随机参数结构系统极限状态函数的统计矩,采用极限状态函数的前四阶累积量拟合其累积量生成函数,通过鞍点逼近方法拟合结构系统极限状态函数的概率密度函数和累积分布函数,进而获取结构系统的可靠度(或失效概率).数值算例表明该方法具有较高的计算精度和效率,通用性强.     

层状横观各向同性饱和土的非轴对称动力响应

通过方位角的Fourier变换，将圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的Biot非轴对称波动方 程转化为一组一阶常微分方程组. 然后基于径向Hankel变换,建立问题的状态方程；求解状态方程后,得到传递矩阵. 进而利用传递矩阵，结合饱和层状地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解 了任意震源力作用下层状横观各向同性饱和地基频域动力响应问题. 时域解可通过频率的Fourier积分得到.     

基于首次穿越时间概率密度的时变可靠性分析

基于时变可靠性性能函数首次穿越时间的概率密度F-PTPD(first-passage time probability density)模型,提出了一种求解机械产品全寿命周期可靠性累计概率密度函数的方法(简称F-PTPD方法),为产品在全寿命周期内可靠性分析和设计提供了工具。首先,采用稀疏网络随机配置方法进行时变可靠性性能函数均值的估计,选取性能函数均值为零的第一个时刻点作为首次穿越点;其次,基于均值的首次穿越点将时变可靠性性能函数进行二阶泰勒展开,利用二次函数的性质求解性能函数首次穿越时间关于随机输入变量的函数;再次,针对首次穿越点函数,采用稀疏网络随机配置方法进行首次穿越时间的四阶原点矩估计;最后,基于四阶原点矩利用最大熵概率密度函数估计方法,推导出首次穿越点的概率分布,获得产品寿命周期内时变可靠性的累计概率密度函数。本文方法可获得产品整个寿命周期失效概率的变化趋势,极大地提高了评估效率,对复杂产品的可靠性评估设计有一定的工程指导意义。     

基于凸集模型的结构地震多维易损性分析

将凸集模型应用于结构的地震多维易损性分析。建立钢筋混凝土框架结构模型，选择最大层间位移角和最大层加速度两种参数建立多维性能极限状态方程。通过平均信息熵理论，获得两种参数的区间估计。考虑椭球模型和区间模型两种形式的凸集模型，在标准空间内通过拉丁超立方抽样生成样本点，通过矩阵变换将其映射到凸集空间内，建立结构地震响应的凸集模型。将凸集变量样本点代入极限状态方程，进行了易损性分析。采用概率模型进行对比计算，研究表明，与概率模型相比，当PGA较小时，凸集模型的破坏概率较大，而PGA较大时，凸集模型的破坏概率较小；椭球模型和凸集模型的分析结果差距较小，在各个PGA下破坏概率差值仅为0.05~0.1，因此可以不考虑凸集类型不同对易损性分析结果的差异。     

A method for estimating the reliability of structural systems with moment-matching and copula concept

It is aimed to propose a copula based systematic quantitative method for system reliability analysis of engineering structures considering multiple dependent failure modes. The principles of the moment matching method, the copula theory and the bound theory are combined to achieve the purpose. As the very first step, the moment estimation of the limit state function of each component is calculated by anchored ANOVA (Analysis of Variance) expansion. The third moment saddle point approximation is then applied to derive the distribution of each performance function and evaluate the reliability index with obtained moments. By introducing copula functions into the narrow bounds theory, the traditional reliability method is improved. The best-fitting copula function is determined to ensure the accuracy of the joint probabilistic modeling between the dependent failure modes. A novel feature of the proposed method is the use of the copula concept, instead of traditional numerical integration commonly used in the joint failure probability estimation. Examples are presented to illustrate the accuracy and applicability of the presented method.     

非高斯随机激励下工程结构可靠性估计的一种方法

本文将工程结构考虑为振动系统,把随机载荷及在结构上的载荷效应作为随机过程,分析状态函数的高阶矩,进行最大熵概率分析,得到结构在随机载荷作用下失效的概率。此法为随机环境下工作的结构、构件或设备的安全设计、可靠性检验提供了一个可行的方法。     

Experimental investigation of a maximum entropy assumption for acceleration terms within a poly‐disperse moment framework

Moment transport methods are being developed to model poly‐dispersed multiphase flows by transporting statistical moments of the particle size–velocity joint probability density function (JPDF). A common feature of these methods is the requirement to reproduce or approximate the form of the JPDF from the transported moments for calculation of body force terms and other source terms. This paper examines the application of a maximum entropy technique against phase Doppler anemometry data sets from an electrostatically charged kerosene spray and also an automotive pressure swirl atomizer. An assessment of which moments are required to reproduce the JPDFs using a maximum entropy assumption to a sufficient level of accuracy is made. It is found that it is possible to reproduce the JPDFs to a high level of accuracy using a large number of moments; however, this incurs large computational overheads. If the moments to be transported are chosen on the basis of physical reasoning (such as the relationship between size and velocity due to drag) it is possible to reduce the number of moments to those which would be conserved via balance equations. This permits an approximation to the JPDF commensurate with the closure level of the moment transport method and thus the closure model method is naturally scalable with the degree of information from available conservation equations. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

一类Markov过程的最大绝对值过程概率密度求解的新方法

随机过程或随机系统响应的最大绝对值概率分布往往是科学与工程中关心的重要挑战性问题.本文从理论与数值上进行了Markov过程的时变最大绝对值过程及其概率分布研究.文中,通过引入扩展状态向量,构造了最大绝对值$\!$-$\!$-$\!$状态量联合向量过程,由此将不具有Markov性的最大值过程转化为具有Markov性的向量随机过程.在此基础上,通过最大绝对值$\!$-$\!$-$\!$状态量之间的关系,建立了联合向量过程的转移概率密度函数.进而,结合Chapman-Kolmogorov方程和路径积分方法,提出了最大绝对值概率密度函数求解的数值方法.由此,可以得到Markov过程最大绝对值过程的时变概率密度函数,可进一步用于结构动力可靠度分析等.通过数值算例,验证了本文所提方法的有效性. 该方法有望推广到更一般随机系统的极值分布估计之中.      

基于显示连通贝叶斯网络的机场塔台地震易损性分析

将基于性能的多维易损性分析方法,结合显示连通贝叶斯网络,应用于机场塔台的多维易损性分析。考虑地震激励的不确定性,通过非线性时程分析获得结构响应数据;将塔台结构分为三个层次,每个层次按包含的层数分为相应的子层次。根据功能特性确定子层次的评价指标和极限状态,建立服从多元对数正态分布的概率地震需求模型;考虑各种极限状态之间的相关性,建立极限状态方程,确定失效域,通过蒙特卡洛法求得构件的超越概率;建立塔台结构的显示连通贝叶斯网络模型,利用层次分析法获得中间节点的条件概率表,利用MATLAB进行贝叶斯网络的推理计算,实现从单一层次的易损性到整体易损性的推理。     

全局性能水准与构件局部损伤状态

传统的最大层间位移作为一个全局性的性能指标,超出给定的性能极限状态阈值就不能映射构件局部损伤状态。本文基于能量平衡原理,将塑性能量耗散和塑性铰的等效能相比得到累积塑性应变,将累积塑性应变这一反映局部损伤状态的损伤指标作为工程需求参数,假定一系列累积塑性应变阈值建立局部构件的易损性曲线族。以传统的最大层间位移作为反映全局性能水准的工程需求参数,建立结构全局性能极限状态下的易损性曲线。对比全局和局部易损性曲线,发现全局性能水准和局部构件损伤状态之间存在良好的相关性,通过易损性曲线的吻合程度可获得给定全局性能水准相对应的累积塑性应变阈值。进而也建立起全局性能指标与局部损伤状态的映射关系。基于累积塑性应变的机构易损性分析是一种更精确的易损性分析方法。     

Rocking response of rectangular rigid blocks under random noise base excitations

The response of a rigid rectangular block resting on a rigid foundation and acted upon simultaneously by a horizontal and a vertical random white-noise excitation is considered. In the equation of motion, the energy dissipation is modeled through a viscous damping term. Under the assumption that the body does not topple, the steady-state joint probability density function of the rotation and the rotational velocity is obtained using the Fokker-Planck equation approach. Closed form solution is obtained for a specific combination of system parameters. A more general but approximate solution to the joint probability density function based on the method of equivalent non-linearization is also presented. Further, the problem of overturning of the block is approached in the framework of the diffusion methods for first passage failure studies. The overturning of the block is deemed incipient when the response trajectories in the phase plane cross the separatrix of the conservative unforced system. Expressions for the moments of first passage time are obtained via a series solution to the governing generalized Pontriagin-Vitt equations. Numerical results illustra- tive of the theoretical solutions are presented and their validity is examined through limited amount of digital simulations.     

First-passage failure of strongly non-linear oscillators with time-delayed feedback control under combined harmonic and wide-band noise excitations

A procedure for studying the first-passage failure of strongly non-linear oscillators with time-delayed feedback control under combined harmonic and wide-band noise excitations is proposed. First, the time-delayed feedback control forces are expressed approximately in terms of the system state variables without time delay. Then, the averaged Itô stochastic differential equations for the system are derived by using the stochastic averaging method. A backward Kolmogorov equation governing the conditional reliability function and a set of generalized Pontryagin equations governing the conditional moments of first-passage time are established. Finally, the conditional reliability function, the conditional probability density and moments of first-passage time are obtained by solving the backward Kolmogorov equation and generalized Pontryagin equations with suitable initial and boundary conditions. An example is worked out in detail to illustrate the proposed procedure. The effects of time delay in feedback control forces on the conditional reliability function, conditional probability density and moments of first-passage time are analyzed. The validity of the proposed method is confirmed by digital simulation.