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兵工学报 2020年第5期41卷 833-841页

作者：钱林方陈光宋王明明西北机电工程研究所陕西咸阳712099 南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

为了分析无动力飞行弹丸在炮口的状态参数误差对地面密集度影响,基于6自由度刚体外弹道方程,考虑弹丸参数和炮口状态参数误差因素,利用稀疏网格数值积分(SGNI)方法求解弹丸落点散布的统计特性参数,并采用最大熵估计方法获得弹丸落点散... 详细信息

为了分析无动力飞行弹丸在炮口的状态参数误差对地面密集度影响,基于6自由度刚体外弹道方程,考虑弹丸参数和炮口状态参数误差因素,利用稀疏网格数值积分(SGNI)方法求解弹丸落点散布的统计特性参数,并采用最大熵估计方法获得弹丸落点散布的概率密度函数。测试算例表明,该方法的计算结果与蒙特卡洛方法获得的结果相吻合,验证了SGNI方法和最大熵估计方法的有效性;在此基础上分析了某155 mm加榴炮弹丸在炮口的状态参数误差对地面密集度影响,并分别建立了弹丸在炮口的单参数误差、多参数误差与地面密集度之间的映射模型,可为火炮射击密集度总体设计提供参考。

关键词：火炮密集度外弹道稀疏网格数值积分最大熵方法

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火炮自动装填系统摆动机构的运动精度可靠性与灵敏度

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兵工学报 2023年第4期44卷 1062-1070页

作者：翟文宇钱林方陈光宋南京理工大学机械工程与动力学院江苏南京210094 西北机电工程研究所陕西咸阳712099

为高效准确地分析某自动装填系统摆动机构的运动精度可靠性,并分析其尺寸参数的可靠性灵敏度,构建摆动机构运动学模型。考虑摆动机构尺寸误差以及铰接间隙的影响,利用稀疏网格数值积分方法获得运动学响应变量的前4阶统计矩,通过鞍点估... 详细信息

为高效准确地分析某自动装填系统摆动机构的运动精度可靠性,并分析其尺寸参数的可靠性灵敏度,构建摆动机构运动学模型。考虑摆动机构尺寸误差以及铰接间隙的影响,利用稀疏网格数值积分方法获得运动学响应变量的前4阶统计矩,通过鞍点估计方法得到运动学响应变量的概率密度函数,获得某自动装填系统摆动机构运动精度可靠度,并以此为条件通过计算得到尺寸参数的可靠性灵敏度分析结果。研究结果表明:新方法的计算结果能够较好地吻合蒙特卡洛方法获得的结果,且所需样本点较少,验证了方法的有效性,同时计算所得的摆动机构运动精度的失效概率较小,运动精度可靠性较高;主动臂长度对运动可靠性影响较大,其余参数影响较小,为摆动机构基于可靠性的设计提供了参考。

关键词：火炮自动装填系统摆动机构运动精度可靠性稀疏网格数值积分鞍点估计可靠性灵敏度

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两种基于代理模型的时变可靠性分析方法

两种基于代理模型的时变可靠性分析方法

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作者：肖小雅湖南大学

学位级别：硕士

研究结构的寿命和可靠性,对于提升重大装备的性能稳定性和产品竞争力具有重要意义和关键作用,近年来也越来越受到重视。然而研究人员对可靠性理论的认知、探究、拓展、以及实际运用,大多皆基于传统的时不变可靠性模型,该模型通常不考虑... 详细信息

研究结构的寿命和可靠性,对于提升重大装备的性能稳定性和产品竞争力具有重要意义和关键作用,近年来也越来越受到重视。然而研究人员对可靠性理论的认知、探究、拓展、以及实际运用,大多皆基于传统的时不变可靠性模型,该模型通常不考虑强度刚度的退化和动态载荷等时变因素,因而基于该模型计算出的结构可靠度是一个固定的数值。而由于在实际工程问题中,结构受材料性质、所处工况条件、所受时变载荷以及其他不确定性因素,结构可靠度往往会随时间的增加而逐渐衰退,不再是静态力学模型下的恒定数值。所以,为保证结构在整个服役期间内的安全性能,建立更近似结构实际工况的时变力学模型,对进行时变可靠性分析是非常重要的。本文对结构的时变可靠性分析方法展开了系统的研究并完成了以下工作:(1)为提高对结构时变可靠度计算的高效性,研究了基于稀疏网格数值积分的计算方法,该方法能高效地计算工程结构的时变可靠度。首先,该方法通过扩展最优线性估计(Expansion optimal linear estimation,EOLE)方法,将时变极限状态函数的输入随机过程展开成独立随机变量的线性叠加。其次,通过稀疏网格数值积分(Sparse grid numerical integration,SGNI)法获得时变功能函数极小值分布的前四阶矩,其中运用了高效全局优化(Efficient global optimization,EGO)算法来搜索积分节点所对应时变功能函数的关于时间的极小值。最后,在所获得的前四阶矩的基础上,利用鞍点逼近法(Saddlepoint approximation,SPA)计算得出结构的时变可靠度。该方法将稀疏网格数值积分法和高效全局最优化方法相结合,大大地提高了对结构时变可靠度的计算效率。(2)为了实现对结构在整个使用期内的时变可靠性研究,本文提出将混沌多项式展开(Polynomial chaos expansion,PCE)和时域离散的方法相结合,研究了一种基于时变混沌多项式展开(t-PCE)的时变可靠性分析方法。该方法首先运用t-PCE对结构的时变功能函数进行拟合,建立与标准正态变量和时间变量相关的随机响应面模型;再对时域进行离散化,采用蒙特卡洛模拟(Monte carlo simulation,MCS)方法对标准正态变量进行采样,进而高效而准确地获得结构在整个服役期内任意时间段任意失效阀值的失效概率,从而更好的实现对实际工程的指导意义。

关键词：时变可靠性稀疏网格数值积分 kriging模型混沌多项式展开蒙特卡洛模拟

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考虑认知参数或多峰随机参数的不确定性分析方法

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作者：阮晓行湖南大学

学位级别：硕士

实际工程问题中广泛存在着与材料特性、几何尺寸、外部载荷和计算模型等有关的各种不确定性。这些不确定性虽然在多数情况下数值比较小,但是耦合在一起可能会使结构性能产生较大的偏差,甚至引发结构失效。因此,在设计过程中有效度量和... 详细信息

实际工程问题中广泛存在着与材料特性、几何尺寸、外部载荷和计算模型等有关的各种不确定性。这些不确定性虽然在多数情况下数值比较小,但是耦合在一起可能会使结构性能产生较大的偏差,甚至引发结构失效。因此,在设计过程中有效度量和控制不确定性对于保证结构的质量和安全具有重要意义。根据产生机理和物理意义的不同,不确定性通常分为随机不确定性和认知不确定性两类。随机不确定性的分析方法以概率理论为支撑,其理论研究和工程应用均较为成熟。认知不确定性的分析方法一般为非概率理论,如可能性理论、区间分析理论、模糊理论和证据理论等。在这些理论中,证据理论由于使用更具有弹性的框架描述不确定性并且可以有效处理各种不确定性而备受关注,成为认知不确定性分析的主要工具。虽然基于概率理论的随机不确定性分析和基于证据理论的认知不确定性分析取得了重要进展,但是二者依然存在许多待解决的问题,如前者存在难以处理强非线性问题、难以处理超高维度问题、难以处理多峰随机输入变量以及效率和精度问题等问题,后者存在大规模计算问题、相关性问题、混合不确定性问题以及系统可靠性问题等问题。伴随着工程中多峰随机参数越来越受到重视,难以处理多峰随机输入变量已成为基于概率理论的随机不确定性分析中的重要问题。而大规模计算问题一直以来是限制基于证据理论的认知不确定性分析在工程实际中得到广泛应用的关键问题。因此,本文针对两种不确定性分析中的这两种问题开展和完成了如下研究工作:(1)针对功能函数单调、输入变量均为证据变量的认知不确定性问题,提出了一种基于证据理论的高效认知不确定性分析方法。首先通过矩匹配法将输入证据变量转化为Johnson p-box,实现证据变量的连续化表达;然后基于单调性分析对Johnson p-box和响应的概率分布进行概率边界分析,并由概率边界分析将Johnson p-box的传播问题转化为两次随机不确定性问题;最后结合单变量降维方法和最大熵方法对不确定性进行高效传播,完成基于证据理论的认知不确定性分析。(2)针对功能函数不含交互项或只含弱交互项的、涉及多峰分布随机输入变量的不确定性问题,提出了一种基于降维积分的多峰随机不确定性分析方法。首先将最大熵方法由常用的四阶矩约束扩展至n阶矩约束,得到广义最大熵方法;然后由广义最大熵方法提出最大熵循环;最后结合单变量降维方法由最大熵循环确定响应概率分布收敛时广义最大熵方法的矩约束阶数和求取响应概率分布。(3)针对功能函数含有强交互项的、涉及多峰分布随机输入变量的不确定性问题,提出了一种基于稀疏网格的多峰随机不确定性分析方法。首先将基于标准矩的求积准则引入稀疏网格数值积分方法当中,用来求取一维高斯积分点。再结合稀疏网格数值积分方法由最大熵循环确定响应概率分布收敛时广义最大熵方法的矩约束阶数和求取响应概率分布,从而完成多峰随机不确定性分析。

关键词：不确定性分析认知不确定性多峰随机不确定性证据理论单变量降维稀疏网格数值积分最大熵方法

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单层球面网壳结构稳定可靠度与灵敏度分析研究

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作者：郝李敏湖南大学

学位级别：硕士

网壳结构由于其受力合理、稳定性高、建筑外型美观等优势,在工程实践中受到了越来越广泛地关注。随着网壳结构的应用越来越广泛,其稳定性问题也得到了科研人员更多的关注。由于在实际工程中各种不确定因素大量存在,且这些不确定性参数... 详细信息

网壳结构由于其受力合理、稳定性高、建筑外型美观等优势,在工程实践中受到了越来越广泛地关注。随着网壳结构的应用越来越广泛,其稳定性问题也得到了科研人员更多的关注。由于在实际工程中各种不确定因素大量存在,且这些不确定性参数对网壳结构的稳定性有着重要的影响,因此除了对网壳结构进行可靠度研究之外,灵敏度分析也显得尤为重要。灵敏度分析可以对大量的不确定因素进行量化分析,确定每一个因素对于网壳结构稳定性的影响大小,筛选出对于结构稳定性的重要因素和不重要因素进而简化结构分析。(1)本文提出了一种基于稀疏网格数值积分的可靠度和灵敏度同时分析的高效方法,该方法最大的优势在于可以只通过一轮计算就同时得到结构的可靠度和灵敏度分析结果,且计算结果高效准确。(2)对于可靠度分析,本文采用在传统的最大熵方法基础上结合拉普拉斯变换而改进的基于分数指数矩的最大熵方法,并创新地与稀疏网格数值积分相结合,运用其计算基于分数指数矩的最大熵方法所需的分数指数矩,通过与多种可靠度分析方法结果对比后证明该方法能够以较少的点达到更高的计算精度。并且推导出了针对稀疏网格数值积分不同的计算精度下对于不同维度的积分点计算公式。(3)对于灵敏度分析,只需要重复利用可靠度分析后的信息,更改相应变量的积分点对应的权重,就可以得到灵敏度分析结果。在与蒙特卡洛模拟、Sobol等方法计算得到的灵敏度结果对比后同样显示了较高的一致性。由于更改权重不需要模型评估,因此只需要一轮计算就可以得到有效的结构的可靠度结果和所有参数的灵敏度指标,不仅能够节省大量的计算成本,也改变了传统上进行结构可靠度分析与灵敏度分析时两者分离的状态。(4)将本文所提方法运用于单层球面网壳结构中进行静力稳定性可靠度和灵敏度分析,不仅证明了本文方法对于大型复杂的实际工程结构的广泛适用性和高效准确性,同时通过对比十余个网壳结构参数对于结构极限承载力的影响大小程度,依据得到的灵敏度分析结果筛选出了对于网壳结构稳定性影响较大的参数。该研究结果为后续网壳结构的可靠度评估、网壳结构输入输出关系、结构设计优化及算法优化等方面也提供了一定的参考意义。

关键词：单层球面网壳结构结构可靠度分析灵敏度分析稀疏网格数值积分分数指数矩最大熵方法

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