作者简介:孟广伟(1959-),男,教授,博士生导师.研究方向:疲劳与断裂.E-mail:mgw@jlu.edu.cn
为解决工程实际中功能函数为高维非线性的可靠性分析问题,提出了基于降维算法的一种新型的直接结构可靠度的分析方法。利用降维算法,建立了新的 n个一维函数模型近似替代原 n维功能函数,借助于泰勒级数和统计矩理论,求解结构功能函数的前四阶矩信息,并通过Edgeworth级数拟合结构功能函数的累积分布函数,结合可靠性理论可计算得到结构的失效概率。与传统方法相比,本文方法无需积分求解功能函数的统计矩,也无需迭代搜索最可能失效点。数值算例结果表明本文方法具有较高的计算精度和较好的适应性。
Considering the high-dimensional non-linear performance functions of complex structures, a new structural reliability analysis method based on dimension reduction algorithm was proposed. The n one-dimensional approximate functions were established to substitute the n dimensional performance function by using dimension reduction algorithm. With the help of Taylor series and statistical moment theory, the first four order moments of the performance function were solved. The cumulative distribution function of the performance function was fitted by Edgeworth series and the failure probability of the structure was obtained based on the reliability theory. Compared with the traditional methods, the new method does not need to use integral method to solve the statistical moments of the performance function, and not need to search the most possible failure point iteratively. Numerical results indicate that the proposed method has high precision and good adaptability.
在工程实际中, 经常会遇到大量功能函数为高维非线性的复杂结构问题, 要考虑结构的不确定性变量和结构设计的安全性, 因而可用可靠度方法来解决此类问题[1, 2]。对于可靠度分析的常见方法有解析法[3, 4]、梯度法[5, 6, 7]和数值模拟法[8, 9]等。解析法只有在规则的区域内且函数简单时才能直接进行积分求解; 在梯度方法中需在概率密度最大的相关点处求解功能函数的梯度, 未考虑到功能函数在设计验算点附近的局部性质和功能函数的非线性程度等。而数值模拟法虽对计算求解无限制, 计算精度较高、编程相对简单, 但对于小概率问题和大型结构系统, 其计算的工作量及耗时往往难以忍受, 较难满足工程的需求。
因此, 本文提出一种基于降维算法[10]的直接结构可靠性分析方法。运用降维思想, 利用
可靠性问题的失效概率为:
式中:
降维算法是一种维度分解方法, 主要是利用分解的思想, 将一个
将结构功能函数
式中:
由式(2)得单变量(
图1给出了在MPP点处极限状态面的一次二阶矩法(FORM)和二次二阶矩法(SORM)及本文方法
在得到高维函数的近似降维表达式后, 为拟合功能函数的累积密度函数, 就需要计算其统计矩。文献[14]利用了点估计来计算随机结构响应统计矩, 该方法通常只用到随机变量的前三阶矩信息, 改进后虽能用到第四阶矩, 但计算精度仍得不到保证。因而, 本文借助于泰勒级数展开理论, 将泰勒级数展开并取至二次项。假设结构的功能函数为
功能函数
功能函数的一阶矩(均值)表达式为:
功能函数的二阶中心矩(方差)表达式为:
功能函数的三阶中心矩(偏度)表达式为:
功能函数的四阶中心矩(峰度)表达式为:
得到功能函数的前四阶中心矩后, 再拟合结构功能函数的累积分布函数。相应的求解方法有:Pearson系统[15, 16]、广义Lambda分布[17, 18]、鞍点近似法[19, 20, 21]及最大熵方法[22, 23]等。上述方法因其简单且高效而应用范围颇为广泛, 但当函数非线性程度较高、变异系数较大等因素存在时, 计算精度均不够理想; 而Edgeworth级数仅需利用矩信息便可拟合功能函数的累积分布函数且推导公式简单易获得。因而, 本文利用Edgeworth级数展开法拟合功能函数的累积分布函数和概率密度函数, 最终结合可靠性理论计算得到结构的失效概率。拟合的结构功能函数的累积分布函数和概率密度函数的表达式分别为:
式中:
因此, 可应用Edgeworth级数方法避免对结构功能函数各变量的分布类型的限制, 且仅需要展开至其前四阶项即可, 仅通过统计矩信息即可拟合功能函数的累积分布函数和概率密度函数, 推导简单易行, 扩大了工程实际中的应用范围。
算例1 考虑一个乘积形式的非线性功能函数
工程中MCS方法的计算结果普遍被认为是精确解。本文方法计算结果与MCS方法的结果基本保持一致, 本文方法的失效概率相对误差仅为1.82%, 且在耗时方面也优于MCS方法(23.3118 s)、FORM方法(3.1381 s)、SORM方法(3.6962 s)。通过表2列举了采用其他几种方法的计算结果与耗时, 说明了本文方法在计算精度和效率上有一定的优势, 具有较好的适应性。
算例2 基于材料的蠕变和疲劳试验数据[24], 在线性损伤积累准则基础上建立了非线性蠕变疲劳失效模型, 所定义的功能函数为:
式中:
由表4的结果可知, 本文方法的新型可靠度计算方法在计算精度上都远远好于传统的FORM方法和SORM方法; MCS方法的模拟次数为106次, 而本文方法无需迭代求解, 无需多重积分, 无需求解功能函数的逆矩阵, 仅需要少量的确定性计算即可, 与其相比用很少的计算成本得到与其相近的计算精度, 体现了本文方法在计算精度上具有一定的优越性。
算例3 如图2所示的屋架, 屋架的上弦杆和其他压杆采用钢筋混凝土杆[12], 下弦杆和其他拉杆采用钢杆。屋架承受均布载荷
考虑屋架的合理性, 以屋架顶端
计算结果如表6所示, 本文方法的计算结果与MCS方法的相对误差仅为4.3‰ , 且耗时仅为其0.34倍, 进一步表明了本文方法在计算精度方面具有一定的优越性, 同时也体现了本文方法的合理性与适应性。
本文将降维算法与泰勒级数及Edgeworth级数法相结合, 提出了一种新型的直接计算结构可靠性分析方法。采用该方法针对功能函数为高维非线性的复杂结构进行计算分析。结果表明:采用本文方法求解的结果同MCS方法求解的结果基本保持一致, 大大节省了计算工作量, 且在耗时方面也具由一定的优势; 本文方法无需进行复杂的多重积分求解结构功能函数的统计矩, 无需求解结构功能函数的逆矩阵, 使得计算工作量大大减小。
The authors have declared that no competing interests exist.
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