结构的时变可靠度分析方法及优化设计研究

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1、分类号学号D201177349学校代码10487密级博士学位论文结构的时变可靠度分析方法及优化设计研究学位申请人：黄晓旭学科专业：固体力学指导教师：陈建桥教授答辩日期：2016年3月4日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringStudyontheStructuralTime-DependentReliabilityAnalysisand

2、theOptimizationDesignPh.D.Candidate:HuangXiaoxuMajor:SolidMechanicsSupervisor:Prof.ChenJianqiaoHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,P.R.ChinaMar.,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文

3、的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位

4、论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要在外部荷载、服役环境和材料内部因素的作用下，工程结构或结构构件的强度、承载能力、可靠度随着时间发展逐渐降低，对其安全有效服役产生影响。为了保证结构服役期间的安全性，对结构进行时变可靠度分析及优化设计十分重要。结构的时变可靠度分析具有以下特点：1）外部载荷作用或性能退化规律往往用随机过程进行描述；2）极限状态方程一般具有隐式功能函数的特点；3）工程结构的可靠度问题一般涉及的是小失效概率问题；4）常用的可靠度分析方法存在计算量

5、大、效率不高等缺点。因此只有建立完善的时变可靠度分析模型，开发高效的时变可靠度算法，才能有效地解决复杂结构时变可靠度分析及优化设计问题，满足实际工程设计的需求。针对以上问题，本文的主要研究内容和取得的成果如下：(1)考虑结构可靠性分析中普遍存在的隐式极限状态方程和小失效概率特征，提出了计算小失效概率的AK-SS方法。即，用基于少量样本点的Kriging代理模型近似真实极限状态方程，并通过主动学习方法逐步更新该模型，同时将此代理模型与子集模拟方法（subsetsimulation,SS）相融合，显著改善

6、小失效概率的计算精度和效率。将AK-SS方法用于地下隧道衬砌结构的可靠度分析，得到合理结果，表明该方法对于处理工程实际结构中小失效概率问题十分有效。(2)考虑结构单调退化过程中的时间作用和冲击作用，提出了基于混合随机过程的时变可靠度分析模型。采用Gamma随机过程模拟时间作用引起的退化、Poisson随机过程描述随机冲击作用，提出更为全面的复合退化模型；将贝叶斯推理方法与时变可靠度模型相结合，利用样本信息更新模型中的不确定参数，减小了退化模型中的不确定性。该时变可靠度分析模型为工程实际结构中含有检测数

7、据、模型不确定性的时变可靠度分析问题提供了有效方法。(3)针对结构功能函数非单调变化的情况，结合极值方法和AK-SS方法，提出了混合EGO-AK-SS时变可靠度计算方法。该方法采用混合EGO（MixedEfficientGlobalOptimization）算法建立时变功能函数的Kriging极值响应面，结合AK-SS算I华中科技大学博士学位论文法，逐步改善极值响应面的精度，同时计算失效概率。该方法集中了混合EGO计算效率高、AK-SS方法处理隐式小失效概率的优势，应用于简单机械结构，提高了计算效率，

8、适合求解实际结构的时变可靠度。(4)针对含有时变概率约束的可靠度优化设计问题，提出了混合EGO-SORA时变可靠度优化设计方法。利用(3)中的混合EGO方法将时变概率约束转化为时不变形式，建立约束函数的Kriging极值响应面。采用SORA（sequentialoptimizationandreliabilityassessment）方法，将可靠度优化设计转换为序列确定性优化设计及可靠度逆分析，利用当前的最可能失效点更新约束函数的Kriging极值响应面