考虑不确定性的混合结构可靠性方法研究

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实际工程结构设计中不可避免地存在各种不确定性,如材料属性、载荷条件和使用环境等,采用合理的方法对不确定因素进行有效分析和控制对确保产品的使用性能和结构可靠性具有重大意义。一次二阶矩法是结构可靠性分析领域最经典和常用的方法,但是在处理不确定因素方面具有局限性,所以本文在此基础上引入区间变量来表征不确定性,将可靠性指标求解优化问题转化为区间变量作用下的可靠性指标边界搜索问题。围绕该搜索问题,本文构造了一种基于 SQP 算法的可靠度求解方法,试图在极限状态曲面具有高度非线性的情况下提高求解稳定性和收敛性。本文主要研究内容如下:  1.在改进的一次二阶矩法的基础上引入区间参数,提出了一种考虑不确定性的混合可靠性分析方法。该方法将单一的可靠性指标优化问题转化为区间参数作用下可靠性指标边界搜索问题。在模型构造过程中发现对于不同分布,其累计概率函数对参数的单调性差异,基于单调性分析结果得到了可靠性指标边界与区间边界的某种对应规律,有效简化了迭代搜索过程。  2.构造了一种基于 SQP 算法的结构可靠度计算方法。依据可靠性指标定义推导得出可靠性指标优化模型,运用等式约束的SQP算法来求解该可靠性指标优化问题。基于 SQP 算法在求解非线性约束优化方面的巨大优势,该方法在可靠性指标求解效率和精度两个方面同时具有很好的性能。  3.可靠性灵敏度分析有助于识别出对结构可靠性影响较大的变量,本文在改进的一次二阶矩法的基础上进一步推导出了失效概率对变量均值和标准差的灵敏度显性表达式。通过灵敏度指标正负性可以判断出失效概率对均值和标准差的正相关或负相关的变化规律,并根据其数值大小精确识别出对结构可靠性影响较大的变量。该指标根据改进一次二阶矩法的可靠性分析结果即可获得,无需为灵敏度分析再进行其它计算。通过具体算例验证,本方法具有较好的精度和效率。
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