非概率可靠指标发展及其求解方法概述

系统地介绍了非概率可靠性度量指标的发展状况,对应用最为广泛的凸集比例因子非概率可靠指标,概述了其求解方法,分析了隐式极限状态方程问题的研究现状,并就其发展趋势提出了意见。

基于广义超椭球模型的结构非概率可靠性指标

非概率凸集合模型仅需获知结构不确定性的范围或界限来度量结构可靠性,因而适用于小样本不确定性结构工程问题.针对广义超椭球模型,对其非概率可靠性度量问题进行了研究.首先,提出了基于广义超椭球模型的简单非概率可靠性指标,定义为结构功能函数的均值与离差之比,并讨论了该可靠性指标的不一致性问题.其次,为克服上述不一致性问题,提出了一种比例因子非概率可靠性指标,定义为不确定域向外扩大或向内收缩时,失效面与不确定域接触的最小比例因子.最后,通过3个工程算例分析验证了所提非概率可靠性指标的有效性和可行性.

基于改进合成少数类过采样技术的非概率可靠性指标解

当结构的功能函数呈现高度非线性、极限状态曲面为多区域的情形时,现有算法无法有效求解非概率可靠性指标,为解决此类问题,将合成少数类过采样技术(SMOTE)进行改进,提出了基于改进SMOTE算法的非概率可靠性指标解法。首先基于非概率可靠性指标的几何意义,将样本分类策略、超球限制策略与标准SMOTE算法相结合,提出了改进SMOTE算法来进一步提升算法在极限状态曲面附近的采样效率;然后结合改进SMOTE算法在标准化空间中高精度的拟合局部极限状态曲面,进而搜索得到非概率可靠性指标;最后给出了基于改进SMOTE算法的非概率可靠性指标解的主要流程。数值算例表明,当极限状态曲面呈现局部闭合、多区域的特点时,改进后的SMOTE算法可以高效地获取位于极限状态曲面附近的样本点,进而高精度地拟合极限状态曲面。将本文方法的计算结果与解析解对比,相对误差远远小于工程中的最大误差限值5%,说明改进SMOTE算法能够较好地处理高度非线性功能函数,验证了所提算法的有效性和实用性。

结构非概率可靠性指标的求解方法

在结构的非概率可靠性方法中,结构的可靠性是用非概率可靠性指标来度量的。本文研究了区间变量的一般运算规则,给出了非概率可靠性指标的三种求解方法:定义法、转换法和优化法。给出了定义法的具体描述和实现方法,并给出了转换法的一般求解步骤和一种可通用的区间优化算法的实现过程。三种方法的给出,基本上解决了结构可靠性分析中非概率可靠性指标的求解问题。实例计算表明所提方法是有效和可行的。

区间模型非概率可靠性指标的一维优化算法

证明了基于区间模型的非概率可靠性指标只可能存在于:标准化区间向量张成的凸域及其扩展空间中,通过原点和凸域顶点的有限条超射线与标准化失效面的某个交点处,从而极大地缩小了优化方法求取非概率可靠性指标的可行域,使放弃计算结果极易扩张的区间运算法则和计算量太大的高维寻优方法成为可能。提出了求取非概率可靠性指标的一维优化方法,讨论了一维优化方法搜索区间关于0对称且具有半径递减的特性,利用该特性明显提高一维优化算法的效率。

结构概率与非概率可靠度指标对应关系研究

针对目前在[-1,1]区间内,由非概率可靠度理论无法判断结构的安全与失效的问题,基于3σ截断法则,建立概率可靠度指标与非概率可靠度指标之间的对应关系。由《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB-50068-2001)规定的结构可靠性指标计算临界非概率可靠性指标,提出了非概率可靠度指标处于[-1,1]区间内的一种由临界非概率可靠度指标确定结构可靠性的方法,并结合算例验证了该方法的有效性。研究结果表明:利用概率可靠度指标与非概率可靠度指标间的对应转换关系,由临界非概率可靠度指标可有效处理非概率可靠性指标处于[-1,1]区间内的结构可靠性问题,以更方便地评价结构的安全度。

基于微粒群算法的区间模型非概率可靠性指标的计算

把工程实际中的不确定参数考虑为区间变量,研究基于微粒群算法的区间模型非概率可靠性指标的计算。利用非概率可靠性指标只存在于过标准化区间变量张成的空间顶点和原点的直线与功能函数的交点,建立基于微粒群算法的优化模型,并对目标函数进行改进,使其更利于优化计算。一系列数值算例和与以前方法的比较证明了该方法计算简便,结论较为精确,具有一定的可行性。

深部巷道围岩稳定的区间非概率指标分析

分析了深部岩体物理力学参数的特点,引入区间数学理论,建立了深部工程围岩物理力学参数及其对开挖响应的区间分析模型.提出了区间模型的逐步逼近求解程序,构建了深部坑道围岩稳定的非概率指标及其分析方法.分析了某深部工程围岩的稳定性.结果表明基于区间数学的非概率方法是分析深部地下结构稳定性的合适工具,具有理论和实用价值.

基于区间模型的结构非概率可靠性优化

采用区间变量描述不确定参数,研究了结构非概率可靠性优化问题。基于区间模型描述不确定信息这一前提,针对Elishakoff的非概率可靠性指标,给出了其几何解释和求解方法。建立了以结构重量为目标函数、以非概率可靠性指标为约束条件的非概率可靠性优化模型。算例分析表明:该非概率可靠性优化方法能够考虑不确定信息的影响,对结构重量进行合理分配。该方法为结构非概率可靠性优化提供了一种新的思路。

一种基于SAPSO-DE混合算法的结构非概率可靠性优化设计

针对不确定性结构的非概率可靠性优化问题,提出一种基于模拟退火粒子群算法和差分进化算法(SAPSODE混合算法)的结构非概率可靠性优化设计方法。考虑结构非概率可靠性指标约束,建立最小化结构体积为目标的优化模型。为了提高结构非概率可靠性优化问题的计算精度和效率,采用基于认知经验进化的SAPSO-DE混合算法进行非概率可靠性优化设计。研究结果表明:基于SAPSO-DE混合算法的结构非概率可靠性优化设计方法克服了PSO算法的早熟现象,并提高了收敛速度和精度;该方法的全局搜索能力强,且具有较强的稳定性。

基于Kriging模型的重力坝非概率可靠性分析

为解决概率可靠性方法分析受限于重力坝不确定参数的统计信息较难获取,及其功能函数高度非线性且较难用显式解析表达式给予刻画等问题,构建了基于不确定参数界限的重力坝单元非概率可靠性(Non-probabilistic Reliability,N-PR)指标计算模型,在此基础上,融合Kriging模型较强预测和拟合优势,发展了一种基于Kriging模型的重力坝N-PR指标计算方法。经实例考证,所给模型与方法可有效规避概率可靠性分析中要求不确定参数随机变化且计算结果对参数高度敏感的局限,较好适应了重力坝功能函数高度非线性甚至难以显式表达的特点,可较深入分析重力坝可靠性。

基于区间非概率可靠性方法的岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性评价

岩溶区桩基下溶洞顶板稳定性影响因素取值的不确定性及其样本数量的有限性,给桩基下溶洞顶板稳定性的评价带来了一定困难。根据现有研究成果,建立桩基下溶洞顶板抗冲切、抗剪切和抗弯力学简化模型,并从理论上推导相应的稳定性验算公式。在此基础上,结合区间分析理论和结构非概率可靠性度量方法,提出了基于区间非概率可靠性方法的桩基下溶洞顶板稳定性评价方法。该方法采用MATLAB中的INTLAB工具箱进行区间运算,并运用截断法消除运算过程中的区间扩展现象,最后通过比较溶洞顶板体系的非概率可靠性指标η与1的大小来判断桩基下溶洞顶板稳定性。以丹霞高速互通中D匝道2#桩基下溶洞为例,计算出该桩基下溶洞顶板体系的非概率可靠性指标η=7.95,该值大于1说明该桩基下溶洞顶板处于稳定状态,且评价结果与工程实际相符,表明了该方法的合理性与可行性。分别以3种功能函数为单位,研究当区间变量的变异系数C不同时(C从0.01递增至0.1),对应非概率可靠性指标η的变化规律。研究表明,随各区间变量变异系数C的增大,相应非概率可靠性指标呈不同程度的降低,其中溶洞顶板厚度h的变异性对评价结果影响最大,其次为桩端阻力分担比T,桩顶反力F的影响相对最小。

非概率模型中基本区间变量的重要性测度

针对区间变量情况下的非概率可靠性模型,提出一种基本区间变量对系统非概率可靠性指标影响的非概率重要性测度。所提非概率重要性测度可以直接全面地反映基本区间变量对结构安全影响的重要程度,从而指导工程设计。文中分析非概率重要性测度的基本性质,而后基于蒙特卡洛方法和区间模型非概率可靠性指标的一维优化算法,提出非概率重要性测度的求解方法,同时给出该方法的原理和实现步骤,最后采用算例验证所提方法的精度和效率。

基于区间模型的套管强度可靠性评估

为了弥补传统安全系数法以及可靠性理论在套管可靠性评估中的缺陷,基于区间理论提出了1种适合套管可靠性评估的非概率可靠指标,给出了套管三向强度可靠性评价模型以及相关参数最大、最小值取值方法。研究了外载变化区间均值和偏差对非概率可靠指标的影响规律。结果表明:均值增加,可靠指标线性降低、容许的载荷区间最小值增加;偏差增加,可靠指标非线性降低,并且降低率降低。套管强度影响因素变化区间偏差与可靠指标近似成线性逆相关关系。

凸方法和区间法在可靠性设计中的对比分析

基于对区间非概率可靠性模型和凸集非概率可靠性模型下的非概率可靠性指标的对比分析,通过理论推导和图形分析得到两种方法下的非概率可靠性指标具有一致性,即区间法非概率可靠性指标认为可靠,基于凸方法的非概率可靠性指标必然认为可靠,但反之则未必成立.基于区间法比基于凸方法的非概率可靠性指标对可靠性的判断偏保守,从而得到凸方法是一种更符合实际工况的非概率可靠性计算方法等结论,同时通过对两种方法的非概率可靠性指标的数值算例结果进行比较,也验证了这一结论.

一种与样本信息合理匹配的可靠性模型

针对随机变量具有一定的积累而又不足以确定概率分布的情况,提出了一种新的基于分段均匀描述的可靠性模型。该模型在积累数据构成的各个子区间上,采用区间不确定性情况下的非概率模型求得相应的非概率可靠性指标,并依据每个子区间内均匀分布假设下非概率可靠性指标与概率可靠度的关系,求得每个子区间内无频率信息情况下基于均匀分布描述变量不确定性时的概率可靠度。由于每个子区间在所积累的数据中出现的可能性相等,因此可将每个子区间内的概率可靠度进行平均来得到结构的可靠度。与非概率可靠性模型只利用了积累数据的最大值和最小值情况相比,此方法可以充分利用积累数据中包含的不确定性信息,避免了非概率模型描述时过于保守的结果。与概率模型相比,本文方法利用积累数据自然形成的子区间上的均匀分布描述,避免了关于分布的强假设以及分布参数估计在小样本情况下的较大误差。算例表明,所提模型是一种介于概率与非概率可靠性模型之间的合理方法,它可以与样本信息较好地匹配,从而合理地度量结构的安全程度。

基于混合进化算法的可靠性设计方法

为解决不确定性结构的非概率可靠性优化存在的问题,提出了一种基于模拟退火粒子群算法与差分进化算法的结构非概率可靠性优化方法。在兼顾结构非概率可靠性指标约束的前提下,构建了最小化结构体积为目标的优化模型。为改善结构非概率可靠性优化问题的计算效率和精度,通过基于认知经验进化的MIXED-EVO混合算法来实施非概率可靠性优化设计。实验结果表明,该算法可避免PSO算法的早熟现象,改善收敛速度和计算精度,具有较好的全局搜索能力,稳定性较强。

基于霍克布朗准则的采空区可靠度分析

针对矿山采空区具有极大危害性的问题,引入了采空区可靠度概念,介绍了国内外学者对于采空区可靠度的研究.利用霍克布朗准则,建立采空区矿柱稳定状态下的极限方程,引入区间理论.通过确定上覆岩层重量σ_v,岩石单轴抗压强度σ_c以及岩石破坏程度s等区间变量取值范围,计算非概率可靠性指标的方法确定其可靠度,从而分析岩体的破坏程度.研究工作对采空区的安全管理具有一定的参考意义.

非概率可靠性中一维优化算法的改进及其在桥梁评估中应用

为了减少非概率可靠性指标的计算量,提出了改进的一维优化算法。将区间变量转换为标准化区间变量后,得到了关于失效面的极限状态方程。在扩展空间中,通过缩小区间变量的取值范围能方便的确定目标函数的单调性。进一步,为了显示求解非概率可靠性指标的计算过程,提出了非概率可靠性指标的改进一维优化算法的计算步骤。讨论了在役桥梁的非概率可靠性评估。最后,通过实例分析,论证了改进的一维优化算法的有效性和实用性,适合在役桥梁非概率可靠性指标的求解。

基于区间模型的响应面法

提出了基于区间模型的响应面法,它基于区间分析的结构非概率可靠性指标的特性,使得该法无需迭代搜寻抽样中心点及设计验算点,仅需一次抽样的有限次有限元试验便能得到结构功能函数的足够精度的逼近。证明了非概率可靠性指标只可能存在于标准区间向量张成的凸域及其扩展空间中,通过原点和凸域顶点的有限条超射线与失效面的某个交点处,且在数值上等于某一特定支点坐标和绝对值。因此,在结构功能函数逼近完成后,可通过求解有限个一元二次方程,得到结构非概率可靠性指标。算例验证了该法的有效性。