[发明专利]一种结构系统非概率可靠性优化设计方法

说明书

本发明公开了一种结构系统非概率可靠性优化设计方法，其步骤如下：(1)基于安全系数设计方法，优化得到给定安全系数下结构系统的设计方案；(2)基于结构系统中不确定源的定量化结果，通过区间不确定分析方法得到多失效模式下结构系统响应的分散性；(3)引入非概率可靠性指标，计算多失效模式下结构系统的可靠度；(4)以安全系数方案下非概率可靠度或给定要求可靠度为约束条件，建立非概率可靠性优化设计模型；(5)基于常规优化算法求解该优化问题，得到具有最优可靠度分配的结构系统设计方案。本发明在保证安全系数设计方案非概率可靠性的基础上，进一步降低了结构系统质量，提高了结构系统的使用性能。

技术领域

本发明涉及结构系统可靠性设计领域，特别涉及一种结构系统非概率可靠性优化设计方法。

背景技术

在常规工程结构系统设计优化过程中，结构所处的载荷环境、结构参数及设计要求等均被处理为确定性形式，这在一定程度上简化了结构的设计过程，降低了计算工作量。然而，不确定性广泛存在于实际的工程应用中，包括材料参数不确定性、载荷不确定性、几何尺寸不确定性、初始条件和边界条件不确定性、计算模型不确定性等，这些不确定的参数会影响结构性能，对结构系统的正常使用带来影响，甚至在某些条件下出现意料之外的结构破坏和失效。传统的工程结构系统分析和设计方法一般通过安全系数设计方法对不确定性进行粗略的一体估计，无法定量地表示不确定性因素的影响，这与先进结构系统的精细化设计理念格格不入。因此，为了降低结构系统发生损坏的风险和损失，需要在工程结构系统总体设计阶段充分考虑不确定性的影响。随着不确定性结构分析和优化方法的发展，能够充分考虑各类不确定性因素影响的可靠性优化的设计理念逐渐代替传统确定性优化设计，成为未来工程设计的必然趋势。

从科学辩证的角度看，不确定性是绝对的，而确定性是相对的。确定性的量化仅仅反映了事物的共性或者普遍性的一面，而不确定性的量化则刻画事物个性或者特殊性的一面，人们认识事物不但要认识它的共性，更重要的是要认识事物的个性或特殊性，一遍全面地认识和把握事物。目前，对于不确定性的量化表征方式主要基于以下三种模型，分别是概率模型、模糊模型以及非概率区间/凸模型。其中概率理论是传统的处理不确定性的方法。在已知不确定性参数的概率分布时，概率理论是对不确定性进行量化的一种有力工具。然而，在工程实际中，相对精确统计数据，不确定性信息的不确定界限更容易确定，此时采用非概率可靠性模型将更加适用。因此，开展多源不确定性的合理辨识及完备认知，构造适用于工程实际贫信息、少数据情况下，结构非概率可靠性优化设计理论具有重要的理论意义和工程使用价值。

非概率可靠性方法仅仅通过获取不确定参数界限而不需要深究不确定性内涵，便可完成结构安全性能的评判，对于未来不确定性结构分析与设计理念的更新，具有重要的促进作用。基于体积法的非概率可靠性模型如图2所示，其利用结构安全域的体积V_safe和基本区间变量域的总体积V_sum之比作为结构非概率可靠性的度量，该指标物理意义明确，而且具有与概率可靠性模型完全相容的优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种结构系统非概率可靠性优化设计方法，可以在保证安全系数设计方案非概率可靠性的基础上，进一步降低了结构系统质量，提高了结构系统的使用性能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种结构系统非概率可靠性优化设计方法，该方法实现步骤如下：

步骤(1)、选取结构系统的尺寸参数为设计变量，记为X，各尺寸参数被限定在给定范围内，即x_i∈[x_imin,x_imax]，i＝1,2,…,m₁，其中x为尺寸参数，i为变量编号，x_imin为给定x_i范围的最小值，x_imax为给定x_i范围的最大值，一般依靠工程经验以及工程造价条件给定；