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多失效模式相关下的结构系统可靠度计算研究

采矿与安全工程学报 2013年第1期30卷 100-106页

作者：张道兵杨小礼朱川曲中南大学土木工程学院湖南长沙410075 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

针对目前多失效模式相关下结构系统可靠度计算一般采用近似估算法,其计算结果存在误差的特点,首先建立了含单一极限状态方程和含多极限状态方程的多失效模式相关下结构系统可靠性一般模型,并分别给出其可靠度表达式,然后提出了在MATLAB... 详细信息

针对目前多失效模式相关下结构系统可靠度计算一般采用近似估算法,其计算结果存在误差的特点,首先建立了含单一极限状态方程和含多极限状态方程的多失效模式相关下结构系统可靠性一般模型,并分别给出其可靠度表达式,然后提出了在MATLAB环境下采用Monte Carlo模拟法直接利用程序实现多失效模式相关下结构系统可靠度相对精确计算方法,并给出了具体计算步骤和程序框图。结合两个算例进行分析,研究结果表明:多失效模式相关下的可靠度比传统单一不相关模式下的可靠度更科学、准确。且文中直接利用程序来实现多失效模式相关下结构系统可靠度计算的方法不仅克服了传统Monte Carlo模拟法实现过程效率低的缺陷,并且不需要将功能函数线性化与随机变量正态化,不需要进行复杂的换算,不需要求解近似联合密度函数,且计算精度高。

关键词：多失效模式结构系统可靠性一般模型 Monte Carlo模拟法 MATLAB

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基于改进等效平面法的结构系统可靠性分析

力学学报 2012年第4期44卷 797-801页

作者：陈卫东李建操哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院哈尔滨150001

将复相关理论引入到结构系统可靠性分析中,推导了并联体系等效功能函数的递推公式,提出了复相关等效平面法.解决了等效平面法等效原则中不包含相关性信息的问题,克服了等效平面法计算并联体系误差大的缺点.通过算例证明该方法有较高的... 详细信息

将复相关理论引入到结构系统可靠性分析中,推导了并联体系等效功能函数的递推公式,提出了复相关等效平面法.解决了等效平面法等效原则中不包含相关性信息的问题,克服了等效平面法计算并联体系误差大的缺点.通过算例证明该方法有较高的计算精度,优于传统结构系统可靠性分析方法,适合大型结构系统的可靠性分析.

关键词：结构系统可靠性可靠度复相关系数等效平面法

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结构系统可靠性计算的方向概率法

海洋工程 2004年第2期22卷 62-65页

作者：吴剑国金伟良吴亚舸浙江大学土木工程博士后流动站浙江杭州310027 同济大学土木工程学院上海200092

通过随机空间的映射变换,将多个失效模式的失效面统一变换到随机独立的标准正态空间(Gauss空间)内,利用该空间球坐标沿其径向的χ2分布特性,计算系统失效域上的失效概率。由于无需进行模式间相关性的近似分析,因而提高了系统失效概率的... 详细信息

通过随机空间的映射变换,将多个失效模式的失效面统一变换到随机独立的标准正态空间(Gauss空间)内,利用该空间球坐标沿其径向的χ2分布特性,计算系统失效域上的失效概率。由于无需进行模式间相关性的近似分析,因而提高了系统失效概率的计算精度。两种结构的可靠性分析算例表明,该方法实用性强,操作性好,精度较高,对于有高度非线性失效面方程的可靠性计算问题亦有很强的适应性。

关键词：结构系统可靠性失效模式数值模拟法

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内河散货船的结构系统可靠性分析

内河散货船的结构系统可靠性分析

作者：刘勇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,由于船舶与海洋系统的日趋复杂化、工作范围的不断扩大化以及对船舶系统整体构架和全寿命能力的更高要求,传统的计算方法并不能很好地解决相关问题。使用可靠性理论分析船舶结构,特别是大型船舶结构,具有重要的意义。结构系统的... 详细信息

近年来,由于船舶与海洋系统的日趋复杂化、工作范围的不断扩大化以及对船舶系统整体构架和全寿命能力的更高要求,传统的计算方法并不能很好地解决相关问题。使用可靠性理论分析船舶结构,特别是大型船舶结构,具有重要的意义。结构系统的可靠性分析的目的是找到结构的主要失效模式,并求出结构系统的失效概率,从而给出更符合实际船舶结构的强度分析结果。本文针对一内河散货船,进行结构系统的可靠性分析,具体内容如下:（1）通过对AutoCAD进行了二次开发,以及ANSYS的二次开发,能够快速地将船舶CAD图纸建立为有限元模型。（2）针对船体的实际情况,本文建立了结构的空间梁板结构的有限元模型,并采用等剪应力矩形板单元与等应力三角形单元模拟船体中的板单元,用均匀加强筋单元模拟船体中的加强筋,用空间杂交梁单元模拟船体中的梁单元;并将外荷载等效作用于节点上,利用ANSYS软件对自编FORTRAN程序进行了验证,证明了理论和程序的正确性。（3）以船体板单元厚度、梁单元截面面积、外荷载值、材料的强度值为随机变量,分别建立了板单元、梁单元的极限状态函数方程,并运用改进的一次二阶矩方法求取元件的可靠性指标,并采用Monte-Carlo方法验证了方法的有效性和正确性。（4）基于分支限界法搜寻了主要失效模式,并运用复相关等效平面法求取主要失效模式的失效概率,基于PNET法筛选与计算了结构系统的失效概率并验证了结果的可靠性;提出了结构系统失效是源于局部多个元件连续失效导致的,确定了结构的薄弱部位,为船舶结构可靠性设计提供了有效的技术支撑。

关键词：船舶结构随机有限元结构可靠度结构系统可靠性

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基于高性能并行计算的结构系统可靠性分析

基于高性能并行计算的结构系统可靠性分析

作者：刘亚飞湖南大学

学位级别：硕士

载荷、材料属性和结构尺寸等的不确定性广泛存在于工程结构中,可靠性分析是处理这类问题的有效手段。结构系统通常存在着多种失效模式,各失效模式之间彼此相互关联构成串并联系统。对于大型复杂结构系统,其可能存在的失效模式数量数以... 详细信息

载荷、材料属性和结构尺寸等的不确定性广泛存在于工程结构中,可靠性分析是处理这类问题的有效手段。结构系统通常存在着多种失效模式,各失效模式之间彼此相互关联构成串并联系统。对于大型复杂结构系统,其可能存在的失效模式数量数以万亿计,枚举出其所有可能的失效模式显然是不现实的。目前常用的结构系统可靠性分析方法均是建立在主要失效模式基础之上,即忽略掉大量对结构系统可靠性影响微乎其微的次要失效模式,通过主要失效模式进行结构系统的可靠性分析。结构系统主要失效模式识别的常用方法有:β-约界法、增量载荷法和分枝界限法,这三种方法均是通过设置合理的界限参数来筛选主要失效模式,算法的精度与效率由界限参数的大小直接决定。对于大型复杂结构系统,上述方法均难以调和精度与效率之间的矛盾。处理这个矛盾的一种思路是使用并行计算,但是上述方法不适合于并行计算,其并行算法设计复杂且并行效率较低。而蒙特卡洛模拟具有天然的可并行性,其并行度高、并行性能优异。因此,本文基于蒙特卡洛模拟,对结构系统可靠性分析的并行计算开展了研究,其主要工作如下:(1)针对结构系统主要失效模式识别的四种方法:β-约界法、增量载荷法、分枝界限法和蒙特卡洛法,介绍了其具体计算流程,并详细分析了其相应的可并行度。(2)针对单失效模式问题,提出了基于MPI(Message Passing Interface)并行蒙特卡洛模拟的结构可靠性分析方法。由于各样本点之间相互独立且计算量基本一致,因此可将样本点平均分成若干份,利用MPI并行程序设计的对等模式分别进行计算。为了保持各样本点的完全独立,采用并行方式生成各样本点,即为每个进程分别设立一个种子,分别生成一个随机数序列。最后通过一个归约操作获得结构的失效概率。(3)提出了一种基于MPI并行蒙特卡洛模拟的结构系统可靠性分析方法。构建MPI并行程序设计的主从模式,将各进程分为主进程和从进程,主进程用于搜索统计失效模式,从进程用于进行有限元分析,生成失效模式并传递给主进程。最终由主进程计算得到结构系统的失效概率及其主要失效模式。该方法可准确地计算出结构系统的失效概率,同时又能获得结构系统的主要失效模式,为结构的设计与检测维修提供参考依据。

关键词：结构系统可靠性主要失效模式失效模式识别蒙特卡洛模拟并行计算

在静载和疲劳载荷作用下结构系统失效机理与可靠性分析

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哈尔滨工程大学学报 2006年第2期27卷 200-203页

作者：赵维涛安伟光杨多和哈尔滨工程大学建筑工程学院黑龙江哈尔滨150001

在结构系统使用过程中,将可能出现多种失效形式,例如静载失效或疲劳失效.根据疲劳载荷造成的累积损伤对结构极限应力的影响,给出了结构构件在基于累积损伤下的构件剩余抗力的表达式,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下... 详细信息

在结构系统使用过程中,将可能出现多种失效形式,例如静载失效或疲劳失效.根据疲劳载荷造成的累积损伤对结构极限应力的影响,给出了结构构件在基于累积损伤下的构件剩余抗力的表达式,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式,并考虑了该两失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响,具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理,给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法.数值算例表明,在不同的使用年限内,静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的.在结构系统主要失效路径中,既有单元静强度失效又有单元疲劳失效,这是符合结构系统使用真实情况的.

关键词：结构系统可靠性静载失效疲劳失效失效机理相关性

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格构式臂架3S可靠性分析方法研究

格构式臂架3S可靠性分析方法研究

作者：贺帅磊太原科技大学

学位级别：硕士

实际工程结构中，存在着很多静不定结构，在进行结构系统可靠性分析时，会存在诸多的失效模式。如何识别结构系统的主要失效模式、求解主要失效模式的可靠度以及综合主要失效模式求解结构系统可靠度是本文研究的主要内容。本文以格... 详细信息

实际工程结构中，存在着很多静不定结构，在进行结构系统可靠性分析时，会存在诸多的失效模式。如何识别结构系统的主要失效模式、求解主要失效模式的可靠度以及综合主要失效模式求解结构系统可靠度是本文研究的主要内容。本文以格构式臂架为研究对象，进行结构系统可靠性分析。在求解格构式臂架结构系统可靠度的过程中，首先要根据格构式臂架结构系统的自身结构特点和受力特性确定其相应的系统失效准则，并且定性分析各个失效准则对整个系统的影响度。系统的失效模式有很多，通过分枝限界法来识别格构式臂架结构系统的主要失效模式，并且通过对分枝限界法的改进，使其更加适用于格构式臂架结构系统，识别主要失效模式更加迅速准确，节省大量地时间，且提高了识别的效率。无论是求解结构元件的可靠度还是结构系统主要失效模式的可靠度，都是先生成安全余量方程，然后采用一次二阶矩法进行计算。在计算整个格构式臂架结构系统的失效概率时，采用PENT法。它是将所有主要失效模式分为几组各自有代表失效模式的失效模式组，然后综合各代表失效模式的失效概率求出整体结构系统的可靠度。根据以上理论，基于VC++编制格构式臂架结构系统可靠性分析软件。本软件可以参数化计算和校核格构式臂架结构的力学模型;可以自动参数化生成ANSYS分析模型的APDL命令流;可以提取格构式臂架结构系统的整体刚度矩阵并且验证其奇异性。然后结合分枝限界法和PENT法计算格构式臂架结构系统的可靠度。通过对结构系统可靠性理论的研究，采用改进的分枝限界法和PENT法，可以大大提高计算格构式臂架结构系统可靠度的效率。通过格构式臂架结构系统可靠度分析软件的编制，为结构系统可靠度的计算提供了一种新的思想和途径。理论和软件的结合，为结构系统可靠性的研究进一步发展奠定基础。

关键词：结构系统可靠性格构式臂架主要失效模式可靠度失效概率

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薄壳结构系统可靠性分析

薄壳结构系统可靠性分析

作者：薛志霞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

薄壳结构广泛应用于航天、航空、船舶、建筑等领域，薄壳结构是否可以在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定的任务成了设计人员关注的问题，所以对其进行结构可靠性分析是至关重要的。然而如何将基于概率论基础上的可靠性理论和方... 详细信息

薄壳结构广泛应用于航天、航空、船舶、建筑等领域，薄壳结构是否可以在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定的任务成了设计人员关注的问题，所以对其进行结构可靠性分析是至关重要的。然而如何将基于概率论基础上的可靠性理论和方法应用到薄壳结构中引起了研究者的关注，这也是本文所研究的内容。本文以弹性薄壳结构为对象，对其在随机载荷作用下的结构系统可靠性分析方法开展了研究。首先建立了薄壳单元有限元模型。其中，根据薄壳单元受力后的变形特点，将三角形薄壳单元等效为三角形平面应力单元与三角形弯曲薄板单元，并分别推导出刚度矩阵，然后根据叠加原理将推导的刚度矩阵进行叠加，形成了三角形薄壳单元的刚度矩阵。给出了总刚度矩阵的形式、坐标转换矩阵和刚度方程的求解方法。运用FORTRAN语言编写了相应的有限元程序。并且用自编程序计算的结果与ANSYS软件分析的结果进行了对比、验证。假设薄板结构的材料为理想弹塑性材料。当结构系统中某一元件非机构失效时，根据单元的三个主要应力，推导了反向节点力，运用计算机自动生成了安全余量方程。在考虑外荷载和材料强度为随机变量的情况下，元件的可靠性指标由一次二阶矩的方法计算得到。在寻找主要失效模式时，运用了改进的分枝限界法得到了结构系统主要失效模式，从而大大提高了计算效率。结构系统采用主要失效模式串联模型将，用PNET法计算出结构系统的失效概率与可靠性指标。根据上面所介绍的理论，编制了相应的FORTRAN程序，此程序可以计算在薄壳结构系统的可靠性指标。

关键词：薄壳结构有限元刚度矩阵主要失效模式结构系统可靠性

综合考虑随机结构系统静强度和疲劳的失效机理与可靠性分析

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航空学报 2005年第6期26卷 710-714页

作者：安伟光赵维涛吴香国哈尔滨工程大学航天工程系黑龙江哈尔滨150001

根据疲劳载荷造成的随机裂纹对结构极限应力和截面模量的影响,给出了结构构件在裂纹扩展下的构件剩余抗力的表达形式,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式,并考虑了各失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影... 详细信息

根据疲劳载荷造成的随机裂纹对结构极限应力和截面模量的影响,给出了结构构件在裂纹扩展下的构件剩余抗力的表达形式,分析了结构系统中每一个单元在静载和疲劳载荷作用下的失效形式,并考虑了各失效模式之间的相关性对该单元可靠性的影响。具体分析了结构系统在静载和疲劳载荷作用下的失效机理以及各失效模式之间的相关性,给出了在静载和疲劳载荷作用下结构系统的可靠性分析方法。结合数值算例对结构系统同时进行了静强度和疲劳的可靠性分析,表明在不同的使用年限内,静载和疲劳载荷对结构系统可靠性的影响是不同的;在结构系统主要失效路径中既有单元静强度失效又有疲劳失效,这是符合结构系统使用真实情况的。

关键词：结构系统可靠性静载失效疲劳失效失效机理相关性