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机械工程学报 2022年第6期58卷 274-288页

作者：余萌晨龙湘云湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

提出一种基于双阶段主动学习kriging模型的广义概率区间混合可靠性分析方法(TALK-HRA)。该TALK-HRA方法可有效处理包含概率与区间模型、区间概率模型及其组合在内的多种混合模型。首先,建立第一阶段主动学习kriging模型以选择有可能跨... 详细信息

提出一种基于双阶段主动学习kriging模型的广义概率区间混合可靠性分析方法(TALK-HRA)。该TALK-HRA方法可有效处理包含概率与区间模型、区间概率模型及其组合在内的多种混合模型。首先,建立第一阶段主动学习kriging模型以选择有可能跨越极限状态面的高风险点,从而准确预测功能函数符号,并为给定区间参数下的失效概率计算奠定基础。其次,构造第二阶段的kriging模型以学习最大或最小失效概率附近的区域,从而寻找失效概率的边界。再次,提出的TALK-HRA方法被应用到随机-模糊混合可靠性分析中。最后,通过五个算例验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅可以准确高效地计算多种概率区间混合模型下的可靠度,而且能应用于具有高非线性和多峰极限状态面的“黑箱”问题的可靠性分析。

关键词：主动学习kriging模型概率和区间不确定性混合可靠性分析模糊随机可靠性

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基于主动学习kriging模型的广义概率区间及高维可靠性分析

基于主动学习Kriging模型的广义概率区间及高维可靠性分析

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作者：余萌晨湖南大学

学位级别：硕士

工程实际应用中通常存在各种不同来源的不确定性,在多种不确定性的耦合作用下,结构会产生不可忽略的偏差,最终可能引发巨大的损失。因此,准确地度量不确定性并对产品进行不确定性分析,对保障产品的安全性能具有重大意义。目前基于主动学... 详细信息

工程实际应用中通常存在各种不同来源的不确定性,在多种不确定性的耦合作用下,结构会产生不可忽略的偏差,最终可能引发巨大的损失。因此,准确地度量不确定性并对产品进行不确定性分析,对保障产品的安全性能具有重大意义。目前基于主动学习kriging模型的方法在可靠性分析领域内得到了广泛的应用,本文基于主动学习kriging模型理论提出了一种概率区间混合可靠性分析方法和一种高维可靠性分析方法,有效解决了现存混合可靠性分析方法中通用性差、计算效率低下的问题,以及现存高维可靠性分析方法中“维数爆炸”、矩阵计算量大以及无法计算强交叉项函数的问题。本文的主要研究内容如下:（1）提出了一种基于双阶段主动学习kriging模型的广义概率区间混合可靠性分析方法（TALK-HRA）。该TALK-HRA方法可有效处理包含概率与区间模型、区间概率模型及其组合在内的多种混合模型。首先,建立第一阶段主动学习kriging模型以选择有可能跨越极限状态面的高风险点,从而准确预测功能函数符号,并为给定区间参数下的失效概率计算奠定基础。其次,构造第二阶段的kriging模型以学习最大或最小失效概率附近的区域,从而寻找失效概率的边界。再次,提出的TALK-HRA方法被应用到随机-模糊混合可靠性分析中。最后,通过五个算例验证该方法的有效性。算例的计算结果表明,该方法可以很好地应用于具有高非线性和多峰极限状态面的“黑箱”问题的求解。（2）提出了一种基于主动学习kriging模型的高维可靠性分析方法。该方法能够有效处理输入变量数量高达100维的复杂结构可靠性分析问题。首先,对结构复杂的高维函数用UDR进行降维,简化为简单的单变量相加的形式,基于UDR降维后简单的函数建立kriging模型。其次,对主动学习函数选出的最佳样本点进行重要性分析,选出突出重要维数的最优样本点。再次,将该最优样本点加入实验设计域中对模型进行迭代更新,计算失效概率。最后通过三个算例验证了该方法对于输入随机变量个数众多的高维及高非线性问题的有效性。

关键词：主动学习kriging模型概率和区间不确定性混合可靠性分析模糊随机可靠性单变量降维高维可靠性分析

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随机不确定性下kriging辅助的谐波减速器柔轮疲劳寿命预测

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计算力学学报 2023年第6期40卷 936-943页

作者：冯世哲马继超张德权杨美德韩旭河北工业大学机械工程学院天津300401 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300401

柔轮作为谐波减速器核心传动件,在循环交变载荷作用下容易发生疲劳失效,其疲劳寿命直接影响谐波减速器的工作寿命。为揭示随机不确定性因素对谐波减速器柔轮疲劳寿命的影响规律,本文考虑材料属性和载荷等不确定因素对谐波减速器柔轮开... 详细信息

柔轮作为谐波减速器核心传动件,在循环交变载荷作用下容易发生疲劳失效,其疲劳寿命直接影响谐波减速器的工作寿命。为揭示随机不确定性因素对谐波减速器柔轮疲劳寿命的影响规律,本文考虑材料属性和载荷等不确定因素对谐波减速器柔轮开展疲劳寿命预测研究,以期实现更客观地评估柔轮疲劳寿命。首先,建立柔轮的三维模型和有限元模型,通过有限元分析及寿命计算获得确定性条件下的柔轮寿命。然后,将材料属性及载荷考虑为随机变量,采用拉丁超立方抽样方法对柔轮进行试验设计。最后,基于主动学习kriging模型和柔轮材料P-S-N曲线,通过逐一加点的方式对柔轮进行疲劳寿命分析,获得疲劳寿命统计结果,并与确定性条件下的柔轮疲劳寿命结果进行对比。结果表明,随机不确定因素影响下柔轮疲劳寿命预测结果与确定性条件下相比有所降低,对柔轮抗疲劳设计具有一定指导意义。

关键词：谐波减速器柔轮疲劳寿命有限元分析随机不确定性主动学习kriging模型

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基于kriging模型的证据理论结构体系可靠性分析方法

基于kriging模型的证据理论结构体系可靠性分析方法

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作者：任道远湖南大学

学位级别：硕士

由于环境因素和制造误差的影响,在实际工程问题中往往存在不确定性因素,其耦合作用可能导致产品性能或结构特性产生较大波动,引发结构安全问题,造成经济损失甚至威胁到人身安全。因而采用合理的理论与方法对工程结构和系统中的可靠性进... 详细信息

由于环境因素和制造误差的影响,在实际工程问题中往往存在不确定性因素,其耦合作用可能导致产品性能或结构特性产生较大波动,引发结构安全问题,造成经济损失甚至威胁到人身安全。因而采用合理的理论与方法对工程结构和系统中的可靠性进行量化分析,对保证产品的安全性能及可靠运行具有重要意义。一般可将不确定性划分为随机不确定性和认知不确定性。随机不确定性的研究以概率论为基础,其相关的概率度量的分析方法和工程应用已相对完善;认知不确定性因为缺乏足够的数据样本而不能构建精确的概率分布,一般可用可能性理论、证据理论、模糊集合理论、区间分析理论等非概率理论进行分析。其中,证据理论由于其灵活的框架,在不同的情况下可以等效为概率理论和其他非概率理论,且能对不同来源的证据进行融合,受到广泛关注。随着工程结构大型复杂化,对核电、大型桥梁等结构系统的可靠度要求越来越高。该系统通常由多个零部件组成,零部件之间互相影响、耦合,且存在多个失效模式,极大地增加可靠性分析的难度。元件级的结构分析往往难以反应结构体系整体的复杂性能,因此需要对整个结构体系进行分析。目前结构体系可靠性分析方法已经取得一定进展,但仍然存在诸多问题,如复杂结构的“黑箱”问题、高维变量问题、认知不确定性下的大规模计算问题等。因此,本文将针对结构体系可靠度问题,在证据理论框架下展开研究。本文的主要研究内容如下:(1)针对体系可靠度的“黑箱”问题,提出了一种基于主动学习kriging的体系可靠性分析方法。该方法只在公共失效域挑选训练点,建立代理模型来代替复杂工程结构的数学模型,进而求解证据变量下的可靠度,在保证结构可信度与似真度的精度的同时,有效提升计算效率,为实际复杂工程结构体系可靠度问题提供了一种高效的计算手段。该方法的求解思路为:首先基于少量的样本集建立初始kriging代理模型;其次通过主动学习挑选最佳样本点,计算出该样本点的响应值,将这一组数据加入初始样本集并更新kriging模型,直到满足学习函数的收敛准则;然后利用区间蒙特卡洛对联合焦元抽样;接着用kriging代理模型对抽样得到的联合焦元进行极值分析,判断焦元属于安全域、失效域还是不确定域;最后计算结构体系可靠度的可信度与似真度。(2)针对维数较高的结构体系问题,发展了一种基于改进kriging模型的证据理论体系可靠性分析方法。该方法能够在建立主动学习kriging模型时减少超参数的优化,从而提高计算效率。具体求解思路为:首先利用偏最小二乘法修改kriging模型的核函数,根据主成分分析忽略对计算结果不重要的超参数;然后根据修改后的核函数建立新的kriging代理模型。最后利用区间蒙特卡洛对焦元抽样,对抽样的联合焦元进行极值分析,最后计算结构体系可靠度的可信度与似真度。

关键词：结构体系可靠性证据理论多失效模式主动学习kriging模型

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基于结构性能反馈的混凝土重力坝体系可靠度分析方法

基于结构性能反馈的混凝土重力坝体系可靠度分析方法

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作者：张升南昌大学

学位级别：硕士

混凝土重力坝在设计基准期内所遭受荷载、自身材料参数均具有不确定性。不确定性包括随机性、模糊性和认知不确定性,各类不确定性对混凝土重力坝的影响也不尽相同。为此,开展多源不确定性对混凝土重力坝服役安全的影响,对我国病险坝除... 详细信息

混凝土重力坝在设计基准期内所遭受荷载、自身材料参数均具有不确定性。不确定性包括随机性、模糊性和认知不确定性,各类不确定性对混凝土重力坝的影响也不尽相同。为此,开展多源不确定性对混凝土重力坝服役安全的影响,对我国病险坝除险加固和高坝设计、建设将提供强大支撑。本文借助随机数学、区间数学、代理模型、优化算法、蒙特卡洛法和主动学习策略,基于某混凝土重力坝的设计资料和原型监测数据,考虑多源不确定性对重力坝服役安全的影响,通过开展基于原型监测数据的重力坝力学参数概率反演和区间反演,更新不确定性参数的分布,系统研究并提出了重力坝可靠指标的高效计算方法、失效模式搜索方法和体系可靠度计算方法,为合理评估服役期重力坝安全稳定提供了一个新的思路。主要内容如下:(1)针对参数获取时原型和室内试验困难、样本数据代表性差等问题,考虑到原型监测数据同重力坝部分物理力学参数存在函数关系,基于差分进化算法优化的移动最小二乘法构建了混凝土重力坝变形水压分量代理模型,提出了基于试验数据的重力坝力学参数概率反演方法和考虑测量误差的重力坝力学参数区间反演方法,实现了不确定性参数的高效更新。(2)在参考工程经验及相关规范,拟定重力坝失效模式的前提下,充分考虑多源不确定性对混凝土重力坝服役安全性态的影响,基于信息熵法和主动学习kriging模型,提出了一种重力坝概率-模糊-区间混合可靠性分析方法高效计算拟定失效模式的失效概率区间,并结合一般界限法计算重力坝体系失效概率,为高效判诊混凝土重力坝服役安全提供了一种思路。(3)考虑到处于复杂环境的重力坝混凝土材料参数离散性大且失效情况十分复杂,拟定失效模式科学性及可行性不够良好,同时为进一步提高失效概率的计算效率,在明确重力坝单元失效准则的前提下,提出了融合信息熵法、KKT最优化条件和JC法的重力坝单元可靠指标计算方法,对适用于框架结构的分枝限界法加以改进,搜索重力坝主要失效模式,并以窄界限法计算重力坝体系可靠度,为科学判诊混凝土重力坝服役安全提供了一种方法。

关键词：混凝土重力坝多源不确定性失效模式参数更新主动学习kriging模型改进分枝限界法

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