An Efficient Method for Reliability-based Multidisciplinary Design Optimization

Design for modem engineering system is becoming multidisciplinary and incorporates practical uncertainties; therefore, it is necessary to synthesize reliability analysis and the multidisciplinary design optimization （MDO） techniques for the design of complex engineering system. An advanced first order second moment method-based concurrent subspace optimization approach is proposed based on the comparison and analysis of the existing multidisciplinary optimization techniques and the reliability analysis methods. It is seen through a canard configuration optimization for a three-surface transport that the proposed method is computationally efficient and practical with the least modification to the current deterministic optimization process.

中国南海神狐海域水合物储层井壁稳定可靠度分析

天然气水合物具有巨大的潜在经济和环境价值,其开发利用对国家能源安全和实现国家碳达峰碳中和的“双碳目标”具有战略意义。我国天然气水合物资源主要分布于南海海域,海洋环境的复杂性和隐蔽性使工程测量数据具有较大不确定性,影响钻井安全。目前未见有水合物储层井壁稳定可靠度研究。为定量评估在我国南海神狐海域水合物储层钻井风险,基于水合物储层钻井井壁稳定解析理论和南海神狐海域具体地质条件,结合可靠度分析方法中的改进一次二阶矩法和响应面法,研究南海神狐海域水合物储层钻井井壁失稳概率分布特征,分析该海域井壁失稳概率及安全钻井液压力窗口对主要参数均值和不确定性的敏感性,结果表明:(1)若测量数据足够精确,在我国南海神狐海域水合物储层进行钻井活动的安全性较高,安全钻井液压力窗口也较大。测量数据的不确定性增大将使井壁失稳概率显著升高,缩窄安全钻井液压力窗口。(2)较低的钻井液温度对降低井壁失稳概率略有帮助,且能明显地扩大安全钻井液压力窗口。(3)5个主要参数的均值和不确定性对井壁失稳概率的影响次序相同,均为初始地应力>初始内摩擦角>弹性模量比>初始黏聚力>初始弹性模量。实际工程中对初始地应力数据精确测量,能够显著提高水合物储层钻井井壁稳定性。

基于PKPM二次开发的结构构件可靠度指标计算

提出了便于与商用结构设计软件对接的结构构件可靠度指标计算框架。采用有限差分法计算结构构件荷载效应关于基本随机变量的偏导数;用矩传播的方法计算构件荷载效应的前两阶矩;依据一次二阶矩法计算结构构件的可靠度指标β。在此基础上,编制了基于PKPM的二次开发程序,可用于计算RC框架结构梁抗弯和抗剪极限承载能力的平均安全系数和可靠度指标。实例分析结果表明,对于按6度设防设计的结构,在6度地震作用下有少数梁的可靠度指标低于我国建筑结构可靠性设计统一标准的要求;当地震作用为7度时,多数梁的可靠度指标低于标准要求。

基于AFOSM的螺旋锥齿轮磨损可靠性分析

运用当量齿轮理论对螺旋锥齿轮啮合过程进行简化,基于Archard模型建立螺旋锥齿轮的磨损模型,将轮齿中点法截面上各点磨损量对比,挑选出轮齿中点法截面危险点,对危险点进行磨损可靠性分析,基于改进一次二阶矩法(AFOSM)建立极限状态函数,进行MATLAB编程求得螺旋锥齿轮在所选设计参数下的可靠度和设计点,计算工作扭矩与工作转速变化对其可靠度的影响,采用蒙特卡洛法进行可靠性仿真分析,两种方法计算结果接近,表明该方法具有较高的效率和准确性。以上工作可为螺旋锥齿轮的可靠性设计和维护提供一定的参考和借鉴。

基于改进一次二阶矩方法的油气管道失效概率研究

油气管道在运行过程中存在诸多不确定性因素,采用改进的一次二阶矩计算方法,依据最大剪应力强度理论和管道工程设计规范,建立了油气管道的失效功能函数,提出了管道可靠度和失效概率的计算方法。以西部某段原油输送管道为例,研究了随机变量管道直径、壁厚、运行压力、运行温差的平均值与标准差对失效概率的影响,为油气管道的可靠性设计及风险评估提供一定的借鉴。

Reliability-based concurrent subspace optimization method

To avoid the high computational cost and much modification in the process of applying traditional reliability-based design optimization method, a new reliability-based concurrent subspace optimization approach is proposed based on the comparison and analysis of the existing multidisciplinary optimization techniques and reliability assessment methods. It is shown through a canard configuration optimization for a three-surface transport that the proposed method is computationally efficient and practical with the least modification to the current deterministic optimization process.

基于有限元的重力坝抗滑稳定静动力可靠度快速求解方法

重力坝的抗滑稳定是重力坝工程能够安全运行的关键,其抗滑稳定的可靠度研究是当前水利工程领域的重要研究课题.为了解决采用蒙特卡罗法求解可靠指标时计算效率低、采用响应面法时求解精度不高问题,本文提出一种基于有限元的改进一次二阶矩法进行重力坝抗滑稳定可靠度计算.首先,将坝基岩体抗剪断强度参数视为随机变量,定义功能函数为抗滑稳定极限平衡状态下阻滑力与滑动力的差值,在极限平衡状态条件下推导了功能函数中随机变量的偏导数;然后考虑地震荷载作用的随机性,采用基于全概率公式的数值拟合积分方法计算抗滑稳定静动力可靠指标并将此方法应用于某重力坝工程的抗滑稳定分析中.研究结果表明,该方法在保证计算精度的情况下具有更高的求解效率和收敛速度,故可为类似工程的抗滑稳定静动力可靠度分析提供方法借鉴.

基于有限元的边坡稳定可靠度改进一次二阶矩法研究

为研究岩质边坡岩体参数变化时的稳定性,提出一种基于有限元的边坡稳定可靠度改进一次二阶矩法。首先,针对边坡工程中广泛存在的隐式极限状态函数可靠性问题,定义极限状态函数为滑体极限状态下抗滑力与下滑力的差值,考虑黏聚力及内摩擦角作为随机变量并且服从独立正态分布,求出极限状态方程中随机变量的偏导数;然后,根据改进一次二阶矩法编写了求解边坡失稳概率和可靠指标的计算程序;最后,通过算例验证了所提方法的适用性。某库岸边坡可靠性分析结果表明,该方法具有计算流程简单、便于开展、节省机时、计算精度高的优点。

基于BP神经网络和一次二阶矩法的结构可靠度分析

工程结构的功能函数大多为隐式表达式,使得以功能函数的显式表达式为基础的可靠度计算方法难以应用。为此,基于BP神经网络法和一次二阶矩法,根据结构随机变量的统计特性进行随机抽样获取有限数量的样本点,计算出每组样本点下结构的响应值;然后,将其代入由结构响应容许值与实际响应值建立的功能函数中,得到每组样本点下结构的功能函数值;利用BP神经网络对功能函数进行拟合,得到其显式表达式之后,采用一次二阶矩法计算结构可靠度,提出了一种针对隐式功能函数的结构可靠度分析方法。本文方法可以将结构的隐式功能函数进行拟合,从而得到显式功能函数,并最终利用基于显式功能函数的可靠度算法来计算结构可靠度。算例分析表明,本文方法能正确计算结构的验算点和可靠指标,具有较高的计算精度,为功能函数无法显式表达的结构可靠度分析提供了一种可行的方法。

外圆高速磨削颤振可靠性研究

磨削颤振严重影响了加工精度和表面质量,以外圆高速磨削为研究对象,基于再生颤振机理,建立了工件-砂轮动力学模型,求解了理论临界磨削深度,并绘制了稳定性叶瓣图;考虑动力学参数的不确定性,建立了磨削加工系统可靠性模型,采用改进一次二阶矩法求解磨削深度的可靠性;通过模态试验获得系统频响函数,并计算了磨削颤振可靠度;最后,选取15种工况开展颤振可靠性磨削试验,并通过工件表面振纹对颤振进行辨识。结果表明稳定性叶瓣图预测结果可能存在误差,利用磨削颤振可靠度对其评判,可提高预测结果的准确性。

油封正态分布结构参数的可靠性灵敏度分析

以油封的泵吸率为可靠性指标,将理论接触宽度、油侧唇角、空气侧唇角、过盈量和腰厚5种结构参数作为因子,泵吸率作为响应输出,运用正交试验法对油封性能进行分析;运用曲面响应法拟合泵吸率的极限方程,基于可靠性原理建立油封泵吸率的可靠性模型,运用二阶矩法和蒙特卡洛2种方法进行可靠性敏感度计算,分析呈正态分布的随机参数对均值的灵敏度和标准差的灵敏度。结果表明:2种计算方法的结果基本一致,基于均值的敏感度,对可靠度影响最大的是理论接触宽度,油侧唇角、空气侧唇角和过盈量对可靠度为正面影响;基于标准差的敏感度,过盈量的标准差对可靠度影响最大,5种结构参数的标准差均对可靠度有负面影响。

外径和壁厚的制造偏差对管道可靠度的影响

管道外径和壁厚是管道设计的重要参数,但由于现有工艺技术的限制,在制作过程中外径和壁厚必然存在一定的制造偏差,对管道可靠度会造成一定影响。为明确外径和壁厚的制造偏差对管道可靠度的影响,首先通过管道几何尺寸测量仪获得了管道的外径与壁厚数据,研究了管道外径和壁厚的分布规律;然后建立计算管道压力的极限状态函数,利用一次二阶矩法推导了考虑管道外径和壁厚制造偏差影响的管道可靠度计算公式;在此基础上,研究了管道外径和壁厚的平均值与标准差对管道失效概率的影响,并分析了管道失效概率对各个影响因素的敏感程度。研究表明,管道外径制造偏差对管道可靠度的影响较小,而壁厚制造偏差对管道可靠度的影响相对较大。因此,在管道加工制作过程中,应严格控制壁厚的制造偏差。

核电厂考虑结构参数不确定的地震易损性分析

为考虑核电厂结构参数不确定对结构地震易损性的影响,基于一次二阶矩法(First-Order Second-Moment, FOSM)进行地震易损性分析。以核电结构中混凝土材料的密度、弹性模量,泊松比和抗拉强度为不确定参数,建立有限元模型,并与试验结果对比,以验证模型的准确性。基于有限元数值模拟方法,通过增量动力法计算核电厂模型在多条地震记录下不同峰值加速度的动力响应,同时基于FOSM得到参数不确定下的对数标准差,进而得到核电厂结构考虑参数不确定的地震易损性曲线。结果表明,结构参数的不确定对核电结构有一定的影响,未考虑参数不确定的地震易损性结果会低估结构的失效概率。该方法可为核电结构基于参数不确定下的易损性分析提供一定的理论依据与实用价值。

基于二次二阶矩法的三角挂篮可靠度分析

为保证桥梁结构的安全施工,评估桥梁工程中常用的施工机械三角挂篮的安全水平极为重要。鉴于此,本文以某桥梁工程中三角挂篮为例,结合二次二阶矩法对三角挂篮主桁结构开展了可靠度分析。分析结果表明:三角挂篮前斜杆可靠指标最低,其可靠指标β=4.233,前弦杆的可靠指标最高,其可靠指标β=5.602,建议采用前斜杆可靠指标来衡量三角挂篮可靠度水平,同时在保证安全的前提下对前弦杆进行截面优化;此外,参考《公路工程结构可靠度统一标准》(GB T50283—1999),算例中三角挂篮β=4.233>3.7,能较好满足规范要求的目标可靠度水平,具有一定的施工安全储备。

基于极限承载力分析的覆冰输电塔可靠性评估

针对目前输电杆塔结构可靠性分析存在的难点,将基于有限元非线性屈曲分析得到的结构极限承载力与杆塔可靠性分析相结合,从结构整体响应出发对覆冰作用下杆塔的安全性进行了评估。选取南方某段输电线路为分析对象,建立了该段线路的输电塔-线体系有限元模型并进行分析,找出该段线路的薄弱杆塔。然后,以材料的弹性模量和强度为基础,循环计算得到薄弱杆塔极限承载力的样本,以该样本得到杆塔的极限承载能力的分布类型及其参数。最后运用一次二阶矩法,结合极限状态方程计算了薄弱杆塔在不同工况下的可靠度。实例分析证明该方法避免了基于失效模式法求可靠度带来的困难。

汽车零件可靠性设计的二阶矩法

本文提出的汽车零件可靠性设计的二阶矩法是一种实用方法。应用二阶矩法,依据随机变量的一阶和二阶函数,可以衡量汽车零件的可靠性;依据随机变量的概率分布,可以确定汽车零件的可靠度。

边坡模糊随机可靠性分析

为合理描述边坡稳定性分析中存在的多种不确定性,应同时考虑随机和模糊两种因素带来的影响。用L-R型模糊数描述随机变量的均值和方差,建立了模糊随机可靠性分析模型。为简化计算,将模糊数通过分解定理,取一系列λ截集,转换为一系列区间数进行计算。在一次二阶矩法基础上,推导了基于瑞典条分法及毕肖普法计算模糊随机可靠度的具体公式。算例表明,该法是合理实用的。

热机电耦合智能板结构的随机性分析

对具有随机参数的热机电耦合智能薄板结构提出一种包含4个位移节点、2个电势节点和8个温度节点的有限元模型,用平板型壳体单元模型描述其位移场,用线性插值方法描述其电势场和温度场。基于虚功原理导出了智能薄板的热机电有限元方程,通过各响应量对诸随机参数灵敏度的解析求解和一次二阶矩法,依次求得结构固有频率、固有振型、温变、位移以及输出电压等随机响应的数字特征。以悬臂智能板为例,将所得计算结果与Monte Carlo数值模拟法的结果进行比较,证明了所提出的处理方法可行且有相当高的精度。

市场环境下水电站发电风险调度问题研究

市场环境下,研究水电站发电风险调度问题,尽可能地得到水电站的可发电量及不同电量相应的风险率,为水电公司在期货(合约)市场上签订售电合同时提供决策依据,是非常必要的。文中探讨了市场环境下水电站发电风险调度问题,建立了双风险因子的数学模型,并首次运用改进的一次二阶矩法对此模型进行解算,得到了效益与风险的定量关系。实例研究表明该模型及其解算方法是可行与有效的。

基于ANSYS软件的大型复杂结构可靠度分析

对基于ANSYS软件的大型复杂结构可靠度计算进行了研究。首先 ,针对一次二阶矩法有时不收敛的情况提出了一种改进方法 ,对两点自适应法拟合失效曲面的算法作了修正 ;然后将结构可靠度计算模块连接到ANSYS软件 ,并对大型复杂结构的失效模式作了简要讨论。最后对某大型国家储备粮库筒仓的顶盖和仓壁结构进行了可靠度分析。