一种基于区间时变可靠性的在役结构最优维护设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于区间时变可靠性的在役结构最优维护设计方法。该方法综合考虑了时变不确定性对在役结构力学行为的影响。首先，通过定义非概率区间模型量化基本变量的不确定性特征，并通过不确定性传播分析推导结构在考虑静动态混合不确定性条件下的极限状态函数；基于首次穿越理论建立在役结构基于非概率区间模型的可靠性指标；以Frangopol提出的维护花费公式为基础，尝试建立非概率框架下的维护花费模型，构建在役结构的最优维护设计方法；以结构维护总费用作为优化目标，以维护次数，类型和相应的时间点作为设计变量，以结构可靠度作为优化约束，通过粒子群算法反复迭代，最终确定在役结构服役周期内维护的最佳方案。

An optimal maintenance design method for existing structures based on interval model and time variant reliability considering static and dynamic uncertainties

The present invention discloses an optimal maintenance design method for in service structures based on interval model time-varying reliability considering static and dynamic uncertainties. The method considers the influence of time varying uncertainties on the mechanical behavior of existing structures. First, the uncertainty characteristics of the basic variables are quantified by defining the non probability interval model, and the limit state functions of the structure under the uncertainty of static and dynamic mixed uncertainty are derived by the uncertainty propagation analysis. Based on the first crossing theory, the reliability index of the service structure based on the non probability interval model is established, and the Frangopo is based on the first crossing theory. Based on the maintenance expenditure formula proposed by L, we try to establish the maintenance cost model under non probabilistic framework, construct the optimal maintenance design method of the service structure, take the total cost of structure maintenance as the optimization goal, take the maintenance times, types and corresponding time points as the design variables, and use the structural reliability as the optimization constraint. The particle swarm optimization algorithm iteratively and iteratively determines the best maintenance plan in the service period of the service structure.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑静动态不确定性的基于区间模型时变可靠性的在役结构最优维护设计方法
本专利技术涉及在役结构的安全性评估与维护
，特别涉及考虑静动态区间不确定性的结构可靠性分析以及优化设计，面向在役结构提供了考虑静动态不确定性，以结构可靠度为约束的最优维护设计方法，在保证结构安全的基础上实现了维护花费的最小化，为工程应用提供了理论依据。
技术介绍
在役结构表示当前正处于服役阶段的结构，工程实际要求在役结构能够有效地运行，同时结构失效的概率要控制在足够低的水平。大型、复杂的在役结构如飞行器等在人类生活、工业发展以及国防建设中发挥着重要的作用，但是内部/外部、人为/自然的因素会导致不可逆转的材料性能退化和结构破坏。工程结构服役环境复杂，载荷具有时变特性，同时，由于材料本身的分散性以及加工制造过程中存在的误差，加剧了结构性能的退化，对结构的安全性造成了不利的影响。这种结构性能随时间的衰减会对在役结构的正常运转造成威胁，严重时甚至可能造成财产损失和人员伤亡。维护加强的引入可以在一定程度上增加结构的可靠度，减少潜在的安全性问题，合理地选择维护的种类，合理地确定维护的次数以及合理地安排维护的时间可以以最小的经济代价获得符合要求的维护效果，因此，寻求最优的维护方案可以平衡安全性和经济性的要求，具有重要的工程意义。当前，大多数的维护设计方法均是基于概率框架，通过足量的样本拟合待确定参数的概率密度函数以实现不确定性的量化，这种方法要求有足够多的样本，而在工程上，样本的获取通常是非常昂贵且耗时的；另外，现有的大多数的维护策略多是将维护花费视作定值，且大多预先设置了特定的维护模式，如周期性维护模式，通过优化维护的周期实现花费的最小化。本专利技术针对在役结构的考虑静动态不确定性的基于区间模型时变可靠性的最优维护设计通过如下方式开展：设置两种维护模型(可根据实际情况任意增减维护模型，此处设为两种)，通过对维护次数，类型和时间的合理选取(以维护次数，类型和时间点作为优化设计变量)，在保证结构可靠的基础上(以结构可靠度作为优化约束条件)，实现结构维护总花费的最小化(以维护总花费作为优化目标函数)，从而兼顾安全性和经济性，以期达到预期的工程效果。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种针对在役结构的安全性评价与最佳维护修复设计方法，充分考虑工程结构服役中的静动态不确定性，以非概率区间模型为基础，建立工程在役结构的非概率可靠度分析计算模型，以结构可靠度为优化约束条件，以维护费用最小为优化目标，以维护的次数、类型和相应的作用时间点同时为设计变量，开展多级优化，既能兼顾安全性和经济性，同时又全面考虑了维护的不同情况，更具有普适性。本专利技术采用的技术方案为：一种考虑静动态不确定性的基于区间模型时变可靠性的在役结构最优维护设计方法，其实现步骤如下：第一步：考虑存在于目标在役结构中的静动态不确定性参数，定义静态区间模型x∈xI，定义动态区间过程模型y(t)∈yI(t)(t∈[0,T])，其中，T为结构的服役周期，在任意给定的时间点ti(i＝1,2,...)处，区间过程变量yI(t)转化为离散的区间模型变量yI(ti)；多个区间变量可以围成一个超矩形域，可定义静动态不确定性区间模型的均值函数xc和yc(t)，半径函数xr和yr(t)和方差函数Dx和Dy(t)分别如下：此外，同一区间过程y(t)任意不同时刻t1和t2的自相关系数函数ρy(t1,t2)以及两个不同区间过程y1(t)和y2(t)分别在时刻t1和t2下的互相关系数函数分别如下：其中，Covy(t1,t2)为区间过程y(t)在时刻t1和t2的自协方差函数，为区间过程y1(t)和y2(t)在时刻t1和t2下的互协方差函数。第二步：建立目标在役结构的物理模型，并构建目标在役结构的极限状态函数的数学表达式g(t,d,x,y(t))，其中，为静态区间变量向量，为动态区间过程变量向量，m和n分别为静动态不确定参数的个数，d表示设计变量向量，若将结构极限状态函数式写为典型功能函数过程g(R(t),S(t))＝R(t)-S(t)，则其均值函数、半径函数以及自相关函数分别写为：和其中，R(t)和S(t)分别为结构抗力(结构强度名义值)和应力水平(结构应力名义值)的过程函数，且是基本不确定变量的函数。第三步：根据第二步构建的结构的极限状态函数式，结合首次穿越理论，对结构服役周期进行时间离散，构建结构的可靠性分析模型：其中，Pos{·}表示某事件发生的可能性，E[N+(0,tL)]表示在时间区间[0,tL]内的穿越次数的期望，u(t)为穿越率函数，N为离散后的时间区间数，Δt表示时间增量，有其值的具体选取应当满足关系式：{Δt|ρg(kΔt,(k+1)Δt)|μ≥0.9}其中，μ表示不确定设计变量取均值，计算结构可靠度Pr(tL)＝1-Pf(tL)。第四步：建立两种维护模型，分别为预防性维护和必要性维护，并以Frangopol所提出的工程结构的维护花费方程为基础，分别建立两种维护方式的花费模型：其中，Cpi和Cej第i次预防性维护和第j次必要性维护的花费，考虑货币贴现率可得到与维护时间相关的花费Cpi(tpi)和Cej(tej)，R(t)表示结构抗力函数，v(t)为R(t)的退化率函数，C0,ip与C0,je分别表示第i次预防性维护和第j次必要性维护中与维护效果无关的花费，tpi与tej则分别表示第i次预防性维护和第j次必要性维护的时间，υ表示货币的贴现率，另外，维护费用模型中的其他参数简单取为：C0p＝2，C0e＝4，q＝h＝2，p＝g＝100其中，上述所有参数均是根据文献结果人为给定，面对实际结构需要另行设定。第五步：以第四步建立的花费模型为基础建立维护的总花费方程：以之为优化目标，以第三步计算的结构可靠度为优化约束，以维护的次数，类型并时间点作为设计变量，构建面向在役结构的基于时变可靠性的最优维护设计，以粒子群算法实现完整的优化迭代过程，具体的优化模型列式为：find:tp,tei＝1,2,…,m；j＝1,2,…,ntp＝{tp1,tp2,…,tpm}te＝{te1,te2,…,ten}t∈[0,tL]其中，tp为预防性维护的时间向量，长度是m；te为必要性维护的时间向量，长度是n；ΔPrpi(tL)和ΔPrej(tL)分别表示第i次预防性维护和第j次必要性维护引起的结构可靠度的增量。第六步：判断迭代的收敛情况，若计算未收敛，即相邻两次迭代结果大于预先设置的容差ε，迭代容差ε设定为1％，则继续迭代运算，若计算收敛，则进行第七步。第七步：优化过程结束，输出最优维护策略，包括维护的次数、类型、每次维护的时间点、结构的可靠度以及维护的总花费，以之作为最终的针对某在役结构的最优维护方案。本专利技术与现有技术相比的有点在于：本专利技术对在役结构开展了非概率时变可靠性分析，相比于传统的静态可靠性分析而言，考虑了不确定性的时变特性，相较于传统的概率可靠性分析而言，需要更少的样本容量；本专利技术对维护费用与维护效果之间的关系进行了探讨，建立的花费模型更符合实际；本专利技术建立了以维护费用为目标，以结构可靠度为约束的优化模型，实现了经济性和安全性的平衡；本专利技术将维护的次数，相应的类型以及作用时间点均视作了优化设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑静动态不确定性的基于区间模型时变可靠性的在役结构最优维护设计方法，其特征在于，实现步骤如下：第一步：考虑存在于目标在役结构中的静动态不确定性参数，定义静态区间模型x∈x

【技术特征摘要】
1.一种考虑静动态不确定性的基于区间模型时变可靠性的在役结构最优维护设计方法，其特征在于，实现步骤如下：第一步：考虑存在于目标在役结构中的静动态不确定性参数，定义静态区间模型x∈xI，定义动态区间过程模型y(t)∈yI(t)(t∈[0,T])，其中，T为结构的服役周期，在任意给定的时间点ti(i＝1,2,...)处，区间过程变量yI(t)转化为离散的区间模型变量yI(ti)；多个区间变量可以围成一个超矩形域，可定义静动态不确定性区间模型的均值函数xc和yc(t)，半径函数xr和yr(t)和方差函数Dx和Dy(t)，此外，还可定义同一区间过程y(t)任意不同时刻t1和t2的自相关系数函数ρy(t1,t2)以及两个不同区间过程y1(t)和y2(t)分别在时刻t1和t2下的互相关系数函数第二步：建立目标在役结构的物理模型，并构建目标在役结构极限状态函数的数学表达式g(t,d,x,y(t))，其中，为静态区间变量向量，为动态区间过程变量向量，m和n分别为静动态不确定参数的个数，d表示设计变量向量，通过不确定性传播相关理论分析结构极限状态函数的不确定性特征；第三步：根据第二步构建的结构的极限状态函数式，结合首次穿越理论，对结构服役周期进行时间离散，构建结构的可靠性分析模型：其中，Pos{·}表示某事件发生的可能性，E[N+(0,tL)]表示在时间区间[0,tL]内的穿越次数的期望，u(t)为穿越率函数，N为离散后的时间区间数，Δt表示时间增量，有并计算结构可靠度Pr(tL)＝1-Pf(tL)；第四步：建立两种维护模型，分别为预防性维护和必要性维护，并以Frangopol所提出的工程结构的维护花费方程为基础，分别建立两种维护方式的花费模型：其中，Cpi和Cej第i次预防性维护和第j次必要性维护的花费，考虑货币贴现率可得到与维护时间相关的花费Cpi(tpi)和Cej(tej)，R(t)表示结构抗力函数，v(t)为R(t)的退化率函数，C0,ip与C0,je分别表示第i次预防性维护和第j次必要性维护中与维护效果无关的花费，tpi与tej则分别表示第i次预防性维护和第j次必要性维护的时间，υ表示货币的贴现率；第五步：以第四步建立的花费模型为基础建立维护的总花费方程：以之为优化目标，以第三步计算的结构可靠度为优化约束，以维护的次数，类型并时间点作为设计变量，构建面向在役结构的基于时变可靠性的最优维护设计，以粒子群算法实现完整的优化迭代过程；第六步：判断迭代的收敛情况，若计算未收敛，即相邻两次迭代结果大于预先设置的容差ε，则继续迭代...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，任强，王晓军，马雨嘉，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11