基于智能算法的結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)可靠性作為衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標之一，越來越受到工程界的高度重視。結(jié)構(gòu)可靠性是一門綜合性的工程學(xué)科，主要包括可靠性分析、優(yōu)化設(shè)計、評價、使用和控制?？煽啃苑治黾皟?yōu)化設(shè)計是結(jié)構(gòu)可靠性活動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它從根本上決定了結(jié)構(gòu)的可靠性程度和使用壽命。結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計是將可靠性分析方法與優(yōu)化設(shè)計完美地結(jié)合在一起，將結(jié)構(gòu)可靠性指標作為約束條件或追求的目標，從而得到最佳設(shè)計變量的一種計算方法。結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計方法有著比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方

2、法更為合理的設(shè)計理念和模型，工程實際應(yīng)用也證明了該方法可以顯著提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和結(jié)構(gòu)固有可靠性，并獲得明顯的經(jīng)濟效益。因此，目前對結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計的研究已成為國內(nèi)外學(xué)者積極探索的重要領(lǐng)域之一。
　　 支持向量機是根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論中結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則提出的一種利用最優(yōu)化方法解決機器學(xué)習(xí)問題的方法。它在解決小樣本學(xué)習(xí)和預(yù)測、非線性及高維模式識別問題中具有突出的優(yōu)勢。粒子群算法模擬鳥群飛行覓食行為，通過鳥之間的集體協(xié)作使群體達到

3、最優(yōu)。該算法簡潔且易于實現(xiàn)，需要設(shè)置的參數(shù)較少。粒子群算法是非線性連續(xù)優(yōu)化問題、組合優(yōu)化問題和整數(shù)非線性優(yōu)化問題的有效優(yōu)化工具。因此，本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目(51175442)，利用支持向量機理論、粒子群算法及其改進算法和結(jié)構(gòu)可靠性模型，進行結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計。
　　 針對具有隱式極限狀態(tài)方程的結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合支持向量機理論和改進一次二階矩法，提出了一種基于支持向量機回歸的結(jié)構(gòu)概率可靠性分析方法。通過一個數(shù)值算例和兩

4、個實際結(jié)構(gòu)算例驗證了支持向量機模型的預(yù)測精度，證明了該方法的可行性、計算精度和較高的工程實用價值。結(jié)合區(qū)間分析方法和支持向量機理論，本文發(fā)展了一種基于支持向量機的隱式結(jié)構(gòu)非概率可靠性分析方法。該方法是一種優(yōu)化迭代算法，構(gòu)造出合適的迭代流程就可以計算得到高精度的非概率可靠性指標。本文還通過四個算例驗證了該方法的可行性、正確性和高精度。因此，該方法對其它不確定性結(jié)構(gòu)的非概率可靠性分析具有一定的參考價值。
　　 針對基本粒子群算法容易

5、早熟的問題，充分利用基本粒子群算法的全局搜索能力和混沌優(yōu)化的局部搜索能力，將混沌粒子群算法和支持向量機理論融入結(jié)構(gòu)概率可靠性優(yōu)化設(shè)計理論中，提出基于混沌粒子群算法的結(jié)構(gòu)概率可靠性優(yōu)化方法，并對某平面剛架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程為隱式時，利用基于支持向量機的結(jié)構(gòu)概率可靠性分析方法對某平面桁架進行概率可靠性優(yōu)化設(shè)計。兩個算例優(yōu)化結(jié)果均表明，利用該方法得到的優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于基本粒子群算法、最佳矢量型法和罰函數(shù)法。該方法具有全局收斂且

6、精度高的特性，適用于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的概率可靠性優(yōu)化設(shè)計，具有較好的工程實用價值和較強的探索開發(fā)能力。
　　 利用凸模型方法進行顯式結(jié)構(gòu)非概率可靠性指標的計算，結(jié)合區(qū)間分析方法和支持向量機回歸理論進行隱式結(jié)構(gòu)非概率可靠性指標的計算，提出了基于模擬退火粒子群算法的結(jié)構(gòu)非概率可靠性優(yōu)化方法，并對兩個平面桁架結(jié)構(gòu)進行了非概率可靠性優(yōu)化設(shè)計。兩個算例證明了該方法具有全局優(yōu)化能力和較強的概率突跳能力，能高效快速地找到全局最優(yōu)解，其優(yōu)化結(jié)果顯著優(yōu)

7、于基本粒子群算法和罰函數(shù)法。
　　 利用支持向量機和混合可靠性模型，提出了隱式結(jié)構(gòu)混合可靠性分析方法。本文通過對懸臂梁和平面桁架結(jié)構(gòu)的混合可靠性分析，驗證了該方法的正確性和精度，證明了當(dāng)結(jié)構(gòu)同時含有概率參數(shù)和非概率參數(shù)時，仍采用概率可靠性模型進行分析，計算結(jié)果具有一定風(fēng)險性。針對多失效模式結(jié)構(gòu)，提出了多失效模式結(jié)構(gòu)的混合可靠性分析方法。利用該方法進行隱式和顯式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的混合可靠性分析，所得的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)混合可靠性指標為一個區(qū)間值。本

8、文結(jié)合智能單粒子優(yōu)化算法和結(jié)構(gòu)混合可靠性分析方法，提出了基于智能單粒子優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)混合可靠性優(yōu)化方法。研究結(jié)果表明，智能單粒子優(yōu)化算法的優(yōu)化性能較混沌粒子群算法和模擬退火粒子群算法有一定的改善，其解更接近全局最優(yōu)解。
　　 本文利用支持向量機和三種改進粒子群算法進行了結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計，主要解決了隱式結(jié)構(gòu)概率及非概率可靠性分析及優(yōu)化，混合結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化等問題。本文所提方法具有較高的理論意義和工程實用價值，并為后續(xù)的