結(jié)構(gòu)的時變可靠度分析方法及優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、在外部荷載、服役環(huán)境和材料內(nèi)部因素的作用下，工程結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、承載能力、可靠度隨著時間發(fā)展逐漸降低，對其安全有效服役產(chǎn)生影響。為了保證結(jié)構(gòu)服役期間的安全性，對結(jié)構(gòu)進行時變可靠度分析及優(yōu)化設(shè)計十分重要。
　　結(jié)構(gòu)的時變可靠度分析具有以下特點：
　　1）外部載荷作用或性能退化規(guī)律往往用隨機過程進行描述；
　　2）極限狀態(tài)方程一般具有隱式功能函數(shù)的特點；
　　3）工程結(jié)構(gòu)的可靠度問題一般涉及的是小失效概率問題；

2、
　　4）常用的可靠度分析方法存在計算量大、效率不高等缺點。因此只有建立完善的時變可靠度分析模型，開發(fā)高效的時變可靠度算法，才能有效地解決復雜結(jié)構(gòu)時變可靠度分析及優(yōu)化設(shè)計問題，滿足實際工程設(shè)計的需求。針對以上問題，本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下：
　　(1)考慮結(jié)構(gòu)可靠性分析中普遍存在的隱式極限狀態(tài)方程和小失效概率特征，提出了計算小失效概率的AK-SS方法。即，用基于少量樣本點的Kriging代理模型近似真實極限狀態(tài)方程

3、，并通過主動學習方法逐步更新該模型，同時將此代理模型與子集模擬方法（subset simulation,SS）相融合，顯著改善小失效概率的計算精度和效率。將AK-SS方法用于地下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的可靠度分析，得到合理結(jié)果，表明該方法對于處理工程實際結(jié)構(gòu)中小失效概率問題十分有效。
　　(2)考慮結(jié)構(gòu)單調(diào)退化過程中的時間作用和沖擊作用，提出了基于混合隨機過程的時變可靠度分析模型。采用Gamma隨機過程模擬時間作用引起的退化、Poisson

4、隨機過程描述隨機沖擊作用，提出更為全面的復合退化模型；將貝葉斯推理方法與時變可靠度模型相結(jié)合，利用樣本信息更新模型中的不確定參數(shù)，減小了退化模型中的不確定性。該時變可靠度分析模型為工程實際結(jié)構(gòu)中含有檢測數(shù)據(jù)、模型不確定性的時變可靠度分析問題提供了有效方法。
　　(3)針對結(jié)構(gòu)功能函數(shù)非單調(diào)變化的情況，結(jié)合極值方法和AK-SS方法，提出了混合EGO-AK-SS時變可靠度計算方法。該方法采用混合EGO（Mixed Efficient

5、Global Optimization）算法建立時變功能函數(shù)的Kriging極值響應面，結(jié)合AK-SS算法，逐步改善極值響應面的精度，同時計算失效概率。該方法集中了混合EGO計算效率高、AK-SS方法處理隱式小失效概率的優(yōu)勢，應用于簡單機械結(jié)構(gòu)，提高了計算效率，適合求解實際結(jié)構(gòu)的時變可靠度。
　　(4)針對含有時變概率約束的可靠度優(yōu)化設(shè)計問題，提出了混合EGO-SORA時變可靠度優(yōu)化設(shè)計方法。利用(3)中的混合EGO方法將時變概率

6、約束轉(zhuǎn)化為時不變形式，建立約束函數(shù)的Kriging極值響應面。采用SORA（sequential optimization and reliability assessment）方法，將可靠度優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)換為序列確定性優(yōu)化設(shè)計及可靠度逆分析，利用當前的最可能失效點更新約束函數(shù)的Kriging極值響應面。該方法具有混合EGO方法處理時變可靠度的高精度及SORA求解可靠度優(yōu)化設(shè)計的高效率的特點，應用于簡單機械結(jié)構(gòu)，提高了計算效率，可用于處理工