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实际工程可靠度分析中,经常遇到功能函数没有明确表达式的情况,响应面法是求解此类问题的一种有效方法。为解决响应面法需要用近似的二次曲面来模拟实际极限状态曲面的难题,以数值算法为基础,提出了一种新的方法,此方法不需进行极限状态曲面的模拟,而是在真正的极限状态面上进行求解。此方法计算过程简单,计算结果精度高,收敛快,尤其适合于大型工程结构的可靠度分析,并且可以很方便地扩展到二次二阶矩等其他可靠度求解方法中。
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第43卷第5期
2003年9月
大连理工大学学报
Jo urnal of Dalian Unive rsity o f Te chno lo g y
Vol
.43,
No
.5
Sept
. 2003
文章编号: 1000-8608(2003)05-0650-04
收稿日期: 2002-08-20; 修回日期: 2003-06-10.
作者简介: 张小庆(1973-), 男, 博士生; 康海贵
*
(1945-), 男, 教授, 博士生导师; 王复明(1957-), 男, 教授, 博士生导师.
求解隐式功能函数可靠度的一种新方法
张小庆
1
, 康海贵
*1
, 王复明
2
( 1.大连理工大学 土木工程系, 辽宁 大连 116024;
2.郑州大学 环境与水利学院, 河南 郑州 450002 )
摘要: 实际工程可靠度分析中,经常遇到功能函数没有明确表达式的情况,响应面法是求解
此类问题的一种有效方法. 为解决响应面法需要用近似的二次曲面来模拟实际极限状态曲
面的难题,以数值算法为基础,提出了一种新的方法,此方法不需进行极限状态曲面的模拟,
而是在真正的极限状态面上进行求解. 此方法计算过程简单,计算结果精度高,收敛快,尤其
适合于大型工程结构的可靠度分析,并且可以很方便地扩展到二次二阶矩等其他可靠度求解
方法中.
关键词: 隐式功能函数; 响应面法; 可靠度分析; 数值方法
中图分类号:TU311.2 文献标识码
:A
0
引 言
由 于实际工程结构的复杂性,在对其进行可
靠度分析时,经常遇到只能求出功能函数在具体
自变量下的函数值而不能得到功能函数明确表达
式的情况,例如考虑高层建筑正常使用极限状态
的可靠度分析时,其顶层最大位移与结构的梁、柱
的截面面积、截面惯性矩等几何特征关系就不能
用一个简单的计算公式来明确表达. 对于这一类
问题,可以利用蒙特卡罗法加以解决,但这就需要
进行成千上万次的有限元模拟,工作量大,很不经
济;随机有限元是另一种求解此类问题的方法,但
它需要对确定性的有限元程序加以改造,而形成
一个通用的有限元分析程序来描述结构中存在的
各种随机性,尚有不少困难;响应面法是处理这类
问题的一种有效方法,其思想是选用一个适当的
明确表达的函数来近似代替一个不能明确表达的
函数,也就是利用有限元的计算结果来拟合一个
具有明确表达式的响应面以代替未知的真实极限
状态曲面,从而使得各种针对显式功能函数的可
靠度方法可以应用于隐式功能函数问题的可靠度
分析. 国内外学者在响应面方法上做了大量工
作:Faravelli
[1]
建立了以实验设计为基础的响应
面方法;B ucher和 B ourgund
[2 ]
建立的迭代插值技
术具有很好的效率;佟晓利、赵国藩
[3]
提出的迭
代序列响应面法大大提高了计算效率和计算精
度. 事实上,在进行可靠度分析时,所需要的仅仅
是功能函数在几个迭代点而不是整个空间内的数
学运算(例如微分),因此可以在这几个迭代点以
数值算法近似代替数学运算,而没有必要进行响
应 面拟合. 本文以数值算法为基础,提出一种新
的可靠度分析方法,即不需进行极限状态曲面的
模拟,而是在真正的极限状态面上进行求解,以达
到适合于具有大量随机变量的大型结构的可靠度
分析.
1
基本原理
令功能函数
Z
=
G
(
x
1
,
x
2
,…,
x
n
), 其中
x
i
(
i
=1,2,…,
n
) 为随机变量. 为推导方便,在以下
的叙述过程中,假定这些随机变量为互不相关的
正态随机变量,并记各随机变量的平均值和标准
差分别为 μ
i
、σ
i
(
i
= 1,2,…,
n
). 那么经典的可靠
度计算方法 JC 法的计算过程为
(1) 给出初始迭代点(
x
1
,
x
2
,…,
x
n
).
(2) 求在当前设计点处功能函数
Z
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