一种基于响应面法与蒙特卡罗法的改进的结构可靠度分析方法

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采用该法进行结构可靠度分析的优点是概念明 确、方法简单,其精度仅与模拟的次数 N 有关。 该法回 避了结构可靠度分析中的数学困难,不需要考虑极
限状态曲面的复杂性, 且对高次非线性问题较为有 效。由于该法具有相对精确的特点,故其常用于结构 可靠度各种近似方法计算精度的检验和计算结果校 核。 但由于每次样本响应需计算,故计算量巨大,对 解决大型复杂结构可靠度问题仍不现实。
G(P(k)) G(P(k))-G(P*(k))

比 较 PM(k)和 P*(k),选 择 较 接 近 极 限 状 态 曲 面 的 点作为新的迭代点,并返回到第 2 步进行下一轮迭 代,直至收敛条件满足为止。
可见,响应面法结合 JC 法求解时,需要对响应 面函数进行线性化,由此会带来一定误差。
3 蒙特卡罗法
表 1 两算例计算结果与传统方法的计算精度和计算时间比较
结构相当简单,还可采用传统蒙特卡罗法
Fra Baidu bibliotek算例 1
算例 2
求解,但遇到复杂结构或非线性等复杂问
计算方法 传统响应面法
样本 失效 误差
数 概率 (%)
(万) (%)
验算点
样本 失效
计算
误差
数 概率
时间
(%)
(万) (%)
(s)
-- 2.49 2.73 (0.4561,2.1589, -- 0.52 7.14 0.438
⑴ 采用响应面法,通过外层响应面函数迭代和 内层 JC 法迭代,求出设计验算点 P* 的坐标值;
⑵ 基于 P* 展开新的响应面函数, 作为结构功能 函数,也可近似地取上一步骤最终迭代的响应面函数;
⑶ 采用蒙特卡罗法计算结构的失效概率,可克 服传统响应面法因线性化而带来误差的缺点,但应注 意此时的结构功能函数是显式表达的,仅为简单的二 次多项式, 因此即使该法需进行大量的样本试验但 其计算量不大,仍能保持较高的计算效率。
于结构本身构造复杂,作用形式多样,往往不能给出
功能函数的明确表达式,若直接应用上述方法进行
结构可靠度分析就会遇到困难。 响应面法就是用来
处理结构功能函数不能明确表达的一种有效方法。
26
传统上运用响应面法进行结构可靠度分析时, 主要 是通过结合 JC 法计算可靠指标及验算点。 JC 法的特 点是适用于随机变量为任意分布下结构可靠指标的 求解,且可以计算出比较精确的验算点,同时对非线 性程度不高的结构功能函数,其精度能满足实际工程 需要,其不足之处是当结构功能函数为高度非线性时 会带来较大误差。
由此可见, 本文提出的响应面-蒙特卡罗法综 合了两种分析方法的优点, 又克服了传统方法的缺 点,是目前一种较理想的结构可靠度分析方法。
5 算例
5.1 [算例 1]设功能函数 Z=567X1X2-0.5X32,当 Z<0 时 失 效 。 其 中 随 机 变 量 X1 服 从 正 态 分 布 N (0.6,
Z=[u]-u3 =0.007-u3 =0

式中:[u]为允许的最大水平位移,取 7mm。
特卡罗法,具有较好的实用性,本文可为相关的研究 与应用提供参考。
表 2 随机变量的统计特征
随机变量 A1(m2) A2(m2)
A3[×106kN m2]
均值 0.36 0.18 2.0
标准差 分布类型
0.036 对数正态
Key words:structual reliability; response surface method; Monte-Carlo method; failure probability
1 引言
在结构可靠度分析中,结构的极限状态方程可
由功能函数表达为:
Z=G(X1,X2,…,Xn)=0

式 中 :Xi(i=1,2,3… ,n)为 随 机 变 量 ,即 工 程 结 构 中
摘 要:响应面法和蒙特卡罗法是结构可靠度分析的常用方法,本文在此基础上提出一种改进的结构可靠度分析方法,数 值算例表明该法在计算精度方面优于传统的响应面法,而在计算效率方面则优于传统的蒙特卡罗法。
关键词:结构可靠度; 响应面法; 蒙特卡罗法; 失效概率
The Response Surface Method in Conjunction with Monte-Carlo Method in Structural Rellability Analysis
2009 年 2 月 第 2 期
丘晋文等: 一种基于响应面法与蒙特卡罗法的改进的结构可靠度分析方法
FEB 2009 No.2
n
n
Z=G(X1,X2,…,Xn)=a+Σbi Xi +Σci Xi2 ⑷
i=1
i=1
式中:a,bi,ci(i=1,2,…,n)为表达式的待定系数。 从 响应面函数表达式可以看出,如果考虑 n 个随机变
题时则传统方法效率更低甚至无法实施。 6 结论
本文方法 10 2.53 1.17 传统蒙特卡罗法 10 2.56 --
33.4158) --
10 0.58 3.57 2.225 对于工程中常见的功能函数不能明
10 0.56 -- 21.563 确表达的情况,采用响应面法进行结构可
弹性模量均为 E,Ii=ai Ai2(i=1,2)(式中 Ii 为截面惯性 靠度分析,较其他方法更为简便。 本文结合蒙特卡罗
存在的不确定性参数,如结构的材料、几何以及荷载
参数等。 当 Z>0 时,结构处于安全状态;当 Z<0 时,
结构处于失效状态。 结构的失效概率为:
Pf =P[G(X1,X2,…,Xn)<0]
乙 乙 = f x x x dx x x ⑵ … G(X1,X2,… ,Xn)<0
( x1,x2,…,xn 1, 2,…, n) 1 2… n
A2
本不需要通过拟合功能函数去 P 1
2
4m
求解,其目的主要是比较传统响 A1
A1
应面法和本文方法的计算精度。 3
4
5.2 [算 例 2]某 门 式 平 面 框 架
4m
如图 1,外 荷 载 P=20kN,各 单 元 图 1 计算简图
27
2009 年 2 月 第 2 期
广东土木与建筑
FEB 2009 No.2
矩;Ai 为单元截面积)。 随机变量取 A1、A2 及 E,其彼 法提出一种改进的结构可靠度分析法即响应面-蒙
此独立,统计特征见表 2。 以节点 3 的水平位移 u3 作 为需控制的结构变形,可建立极限状态方程为:
特卡罗法。 数值计算表明,该法比传统响应面法具有 更高精度, 同时在计算效率方面也明显优于传统蒙
式 中 :f X1,X2,… ,Xn(x1,x2, … ,xn) 为 随 机 变 量 的 联 合 概 率 密度函数。 结构的可靠度为:
Pr =1-Pf

目前结构可靠性分析中的大多数方法,如数值
积分法和一次二阶矩法及其改进方法等,都是针对
功 能 函 数 是 明 确 表 达 的 情 形 [1],而 在 实 际 工 程 中 , 由
0.0786),X2 服从正态分布 N (2.18,0.0654),X3 服从
正态分布 N(32.8,0.984),X1~X3 彼此独立。 采用两种
传统方法和本文方法的计算结果见表 1。
由表 1 可见,本文方法的计算结果与相对精确解
更吻合,计算精度高于传统响应面法。 值得注意的是,
本算例是给定功能函数的,因此
Abstract:The response surface method and the Monte-Carlo method are the common methods in structural reliability analysis. In this paper, an new response surface approach is proposed by combination of the conventional response surface method and Monte-Carlo method. In addition,the method also keeps the characteristies of the Monte-Carlo method in terms of straightforwardness and high accuracy.
量,则有 m=2n+1 个待定系数。 其计算步骤如下:
⑴ 假定迭代 P(0)=(x1(0),x2(0),…,xn(0)),初次计算
一般取平均值点;
⑵ 利用试验(复杂结构的可靠度分析一般采用
数值模拟试验,如有限元法)计算 Z=G(x1(0),x2(0),…, xn(0))以及 Z=G(x1(0),…,xi(0)±fs i,…,xn(0)),得到 2n+1
求 解 该 响 应 面 下 的 验 算 点 P*(k)和 可 靠 指 标 b (k)(上
标 k 表示第 k 步迭代);
⑸ 判断收敛条件 b b - (k) (k-1) <e 是否满足(e 为
收 敛 精 度 ),若 满 足 则 停 止 迭 代 , 否 则 用 插 值 法 得 出
插值点:
PM(k)=P + (k) (P*(k)-P(k))
Qiu Jinwen1 Xu Rui2
(1、Guangdong Provincial Academy of Building Research Guangzhou 510500,China; 2、Department of Civil Engineering,South China University of Technology Guangzhou 510640,China)
蒙特卡罗法又称统计试验法或随机抽样技巧方 法,是一种数值模拟方法。 其过程如下[3]:
设结构功能函数 Z=G(X1,X2,…,Xn),Xi(i=1,2, …,n)为任意分布的随机变量。 对 Xi(i=1,2,…,n)进 行 N 次随机抽样,得 N 组 Xij(j=1,2,…,N)。 将第 j 组 (j=1,2,… ,N)的 Xij(i=1,2,… ,n)的 值 代 入 结 构 功 能函数式,得到 N 个 Zj 值(j=1,2,…,N)。 设在 N 个 Zj 中存在 Nf 个 Zj<0,当 N 充分大时,则 结 构 构 件 的 失效概率近似为 Pf=Nf N。
0.018 对数正态
0.2
正态
ai 0.8333e-01
0.1667 --
采用两种传统方法和本文方法的计算结果及其 相应的计算时间见表 2,可见本文方法在计算效率方 面明显优于传统蒙特卡罗法。 值得指出的是,本算例
第2期 2009 年 2 月
广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING
No.2 FEB 2009
一种基于响应面法与蒙特卡罗法的改进的结构可靠度分析方法
丘晋文 1 徐 瑞 2
(1、广东省建筑科学研究院 广州 510500; 2、华南理工大学土木与交通学院 广州 510640)
4 响应面-蒙特卡罗法
响应面法可将功能函数近似表达为显式的二次 多项式, 再结合 JC 法即可进行结构可靠度计算,适 用于功能函数无法表达为基本随机变量显式函数的 情况,计算效率较高。 但由于需结合 JC 法求解结构 可靠度,因此不可避免地存在线性化带来的误差。 为 了克服上述缺点, 本文提出了一种改进的结构可靠 度分析方法,即响应面-蒙特卡罗法,具体步骤如下:
本文首先简要介绍传统的响应面法与蒙特卡罗 法,然后提出一种改进的结构可靠度分析方法,即响 应面-蒙特卡罗法,并进行数值算例分析。
2 响应面法
可靠度计算的响应面法最早由 Wong(1985)[2]提 出,并应用于土坡稳定的可靠度分析,随后各国学者 进行了这方面的大量研究。
响应面法采用有限的试验,通过回归拟合解析表 达式 Z=G(X1,X2,…,Xn)代替真实功能函数曲面 Z= G(X1,X2,…,Xn)。 通过响应面法,可将功能函数近似 表示为随机变量的显式,再结合 JC 法等方法进行结 构可靠度计算,可大大提高计算效率。对 n 个随机变 量 X1,X2,… ,Xn 的 情 况 ,响 应 面 函 数 通 常 采 用 不 含 交叉项的二次多项式形式:
个功能函数值, 其中系数 f 在第 1 轮估算中取 2 或
3,在以后的迭代计算中取 1,s i 为 Xi 的标准差; ⑶ 由于式⑷只有 2n+1 个待定系数,利用第 2 步
求得的 2n+1 个函数值,可以解出待定系数 a,bi,ci(i=
1,2,…,n),从而确定结构的响应面函数;
⑷ 利用一般常用的可靠度求解方法如 JC 法等
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