系统可靠性设计

Posted 2021-04-19 FESIM有限元分析

       实际工程中，结构系统自身的刚度以及结构所承受的外载荷均表现一定的随机性。所以，在结构的分析和设计中，考虑结构系统和载荷的随机性是符合工程实际的。
       因此，考虑实际工程的随机因素，对结构系统进行随机力学分析和基于概率概念的可靠性设计，是非常必要的。同时随着结构复杂程度提高、结构材料的不断更新，结构的受力也更加复杂，可靠性分析的难度也随之提高，主要表现在结构设计中存在很多不确定因素，承受荷载后存在着复杂的函数关系，并且在当今的一些高科技产品如飞船、火箭、舰船等构件经常需要单独在复杂恶劣的环境中作业，因此必须保证其具有足够的强度。
        另一方面这类构件在满足强度的同时又要使其尺寸和重量尽可能的小，以便提高速度，降低成本。目前普遍认为，以可靠性参数作为控制结构设计的参数有很多的优越性，可以将结构系统的可靠性或失效概率作为约束条件结合到优化问题设计中，进行基于可靠性的结构系统优化设计。

      基于可靠性的结构优化可从以下方面进行分析：

1，结构系统剩余疲劳寿命的分析；可以看到，随着载荷发生次数的增加，在预定的服役期内，结构系统疲劳可靠性指标降低；在载荷次数不变的条件下，随着结构系统服役年限的增长，结构系统疲劳可靠性指标也不断降低。

2.结构设计时，考虑结构系统和载荷的随机性，并对随机结构安全余量和可靠性指标β(v)进行敏度分析，使可靠性指标成为函数的约束条件。如果进一步改进遗传算法的编码和遗传算子，可使其更加适用于随机结构的可靠性优化。

3.静载和疲劳载荷共同作用下结构系统的失效形式分析；在两种载荷作用下结构系统可靠性分析方法，并采用改进的遗传算法作为优化方法，以静载和疲劳荷载共同作用下的结构可靠性分析理论为基础，对其进行基于可靠性的优化设计，有算例验证了遗传算法解决此类问题的有效性。
4.复合材料层合板的可靠性分析；结合强度理论建立层合板结构面内破坏和分层破坏的安全余量表达式，应用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析，获取复合材料层合板结构的可靠性分析方法。在此基础上，对层合板的铺层数和铺层角度进行设计优化。
        总结：如果能利用遗传算法(Genetic Algorithn-GA)良好的全局搜索能力、最佳矢量法局部搜索能力强的特点，可构造基于遗传算法和最佳矢量法的混合算法，如果再加入小生境技术，可提高算法的运行效率和求解质量，避免陷入局部最优解。这为随机结构系统可靠性的优化，特别是大型结构可靠性的优化设计问题提供了参考。