[发明专利]一种基于区间时变可靠性的在役结构最优维护设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及在役结构的安全性评估与维护技术领域，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。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案为：一种基于区间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：