ansys的可靠度分析

ansys分析可靠度

2007-11-11 10:29:41| 分类：Ansys特辑|举报|字号订阅

关于ansys分析可靠度的问题,他有两种方法：monte-carlo和响应面法。在现

在的可靠度分析中monte-carlo法有中心点抽样法、直接重要抽样法、更新重要抽样法、渐进重要抽样法、方向抽样法，这里的中心点抽样法是最古老、效率最低的一种，但ansys里只有这一种方法，只是在抽样选点时有不同的两种选择；

并且，monte-carlo在工程计算中只用于校合，不能用于工程实践；

中心点抽样法在计算中一般要进行计算次数的讨论：当可靠指标为1.0时，失效概率1.5866E-01；当可靠指标为2.0时，失效概率2.275E-02；当可靠指

标为3.0时，失效概率1.3499E-03；当可靠指标为4.0时，失效概率3.1671E-05；一般结构的可靠指标为2-4，假设计算结构的可靠指标为3.0，此时的最少有限

元计算次数为1/1.3499E-03（由于在计算过程中的多维变量随机选点不理想等

原因，实际的计算次数远大于此），这对于写论文还可以，对于实际复杂的体系可靠度而言，是没法完成的；

下面我们来讨论一下ansys响应面法以及构件可靠度和体系可靠度：

响应面法计算可靠度不需要monte-carlo那么多次的有限元计算，对于构件可靠度他是现在一个很热门的研究方法，但是，对于体系可靠度，他没有考虑体系可靠度的失效模式；

现在对于体系可靠度有两种认识：一种认为体系可靠度是由构件可靠度构

成的，只有先知道构件可靠度，才能知道体系可靠度，要知道体系失效，先知道构件失效及其失效路径，在这方面大连理工大学的许林博士和张小庆博士开发了一套程序（程序思想是以上面的体系可靠度的认识为理论基础），程序的流程如下：

利用经过二次开发生成的新的ANSYS，进行可靠度计算的具体运算过程为：

1) 利用APDL建立结构分析文件和优化文件；

2) 运行ANSYS的批处理方式，利用分析文件建立模型、进行结构分析与敏度

分析；

3) 进入用户优化模块完成可靠度分析的一次迭代过程；

4) 重新利用分析文件建立模型、进行结构分析与敏度分析；

5) 根据结构分析函数值和敏度值，以及前一点的结构分析函数值，用前面介绍

的近似曲面构造法寻求拟合误差最小的近似极限状态函数；

6) 对上一步得到的近似函数进行可靠度分析；

7) 比较两次计算结果收敛与否，是则结束迭代，否则转到第4步，进行下一轮迭代。

下面我要说的是另外一种体系可靠度思想，就是认为体系可靠度是由构件组成，一个（无论那一个构件）失效，体系就失效，不考虑失效路径，ansys是可以分析这种体系的可靠度的。

现阶段已经开发的可靠度计算软件及相关工作如下：

4.1结构可靠度与有限元

有限元法作为一种数值分析方法，其萌芽可追溯到18世纪的Euler，然而，只是在电子计算机开始普及使用后，它才真正受到人们的重视，并以令人惊讶的速度迅速发展，至今已成为计算力学在上世纪最重要和最辉煌发展的一个方面。在实践上，从50年代中期飞机薄壁结构分析的初期应用开始，至今已扩展到几乎所有的科学技术领域，对推动当代科学技术和工程实践的发展，已起到并将继续发挥难以估量的作用。

计算力学极大地增强了经典力学解决自然科学和工程问题的计算能力，实现了大量复杂力学问题的数值求解，扩展了力学研究的领域，逐渐成为与试验、理论并列的力学研究三大支柱之一；其次，它的发展极大地提高了力学为工程服务的能力，改变了整个工程设计的面貌。它不仅使许多过去无法实现的复杂工程分析成为现实，而且可以采用优化设计的方法能动地优选设计方案，提高设计水平和产品性能，缩短设计周期，将力学与工程更紧密地联系在一起。

这里谈及的力学中行之有效的一些数值计算方法均是以确定性方法进行分析的，也就是没有考虑实际问题中的不确定因素。然而不计及不确定因素的分析方法是无法正确地判断结构安全可靠度的。因此把考虑不确定因素的方法引入到有效的结构数值分析方法中自然就具有非常大的意义。

把概率分析部分整合到有限元分析中，求解结构响应的概率分布特性及可靠度的方法有两种。一种是随机有限元法（Stochastic Finite Element Method）。它在随机场概念的基础上，把材料特性的变异性融入到有限元分析过程中，分析这些随机性对结果的影响情况。早期在有限元中处理随机变异性的方法是摄动法（Hasselmen & Hart,1972[1;] Vanmarcke & Grigoriu,1983[2;]陈虬，刘先斌，1993[3]；刘宁，2001[4]。Vanmarcke et al.(1986)[5]综述了随机场相关的概念，以及摄动法建立随机有限元的基本列式，回顾了一系列相关的问题。张圣坤等人

结合船舶结构的特点分析了用随机有限元方法计算可靠度的基本过程。采用Taylor技术展开只能得到小随机问题响应的前两阶摄动解，而且数值解不太稳定，Yamazaki et al.(1988)[6]利用Neumann级数展开推导出计算响应变异的有限元格式，提高了结果的精度和适应性。这种展开方法的缺点是它需要结合Monte Carlo抽样计算响应的前两阶统计矩，而且更高阶矩的计算仍然非常困难（Spanos & Ghanem，1989[7]）。为了克服Monte Carlo法需要大量抽样的缺陷，Spanos & Ghanem(1989)[8]提出了基于Galekin形式的改进Neumann级

数展开,并且在实际工程中加以应用。采用这一方法的软件目前比较缺少。

另外一种是把概率分析部分和现成的有限元程序相对独立地连接起来。这种做法有一个明显的优点，它接利用经过实践考验的已经较为完善的有限元软件，从而计算各种结构的可靠度问题。但其缺点是计算花费比较大，而且通常不能处理随机场问题。因为有限元分析部分一般作为基本独立的模块，仅为概率计算提供功能函数值，功能函数对随机变量的梯度需要采用有限差分的方法得到。Maymon （1994）[9]在商用软件ANSYS平台上利用它的APDL语言成功的实现了利用

确定性分析软件计算验算点位置。Borri & Speranzini(1997)[10]同样在ANSYS

平台上利用它内含的优化模块计算验算点位置，继而分析结构的可靠度。Bucher et al.[11，12]利用ANSYS 的结构分析功能，结合了响应面分析、Monte Carlo抽样和方向抽样方法进行结构可靠度计算，开发了SLang（CAL-Reliability）在有限元程序FEAP上集成了一次可靠度算法、二次可靠度算法、Monte Carlo 模拟法。他既可以计算元件可靠度，也能够分析系统可靠度。STRUREL包含了STATREL、COMREL、SYSREL、COSTREL、PERMAS-RA。STATREL专

门对数据进行统计分析、处理时间序列问题；COMREL可以使用多种方法对元件进行时变/时不变可靠度分析；SYSREL是系统可靠度分析模块；COSTREL

是一个集成了可靠度计算和优化分析的模块，采用的算法是单层次优化方法，可以分析时变/时不变可靠度约束的优化问题；PERMAS-RA是一个有限元分析程序，它可以结合响应面分析。COSSAN（Computational Stochastic Structural Analysis）提供了响应面分析和各种Monte Carlo抽样方法（重要抽样、自适应抽样），在分析方面它借助外界的有限元分析程序。ISPUD（Importance Sampling Procedure Using Design Points）是一个专门进行抽样模拟的程序。PROBAN （Probabilistic Analysis）是Veritas Sesam Systems公司推出的海洋工程领域著名概率分析软件，它的功能强大，但是价格也比较昂贵。它可以计算元件和系统的可靠度及其灵敏度、确定响应的概率分布，主要采用的分析方法有一次/二

次可靠度算法、Monte Carlo模拟法、拉丁超立方抽样和其他一些抽样方法。