结构的时变可靠性分析及全寿命优化的最优控制理论方法

Important engineering structures have several features such as small failure probabilities, huge fabrication cost and failure loss, and gradual degradation during service lifetime. Time dependent reliability analysis and life cycle cost optimization of such structures are crucial for guaranteeing the safety and economy. This project proposes an effective method for time-variant reliability analysis, and construct a new framework for life cycle optimization of deteriorating structures. The study includes, (1) To build a time variant structural reliability model based on the degradation rule and taking into account the real-time structural detection data, and to develop a new effective method of computing time-variant reliability. (2) To study a synthetic design model of optimizing both the maintenance strategy and structural parameters. (3) To construct an optimal control framework for general life cycle optimization problems, and propose a hybrid solving method based on conventional optimization algorithms together with the dynamic programming. (4) The proposed model and the computing algorithms will be displayed and validated through examples such as bridges, shield tunnels and marine pipelines subjected to degradation.

长寿命工程结构在服役期会伴随性能退化，且具有初始建造费用高、失效概率低但失效损失大等特征。考虑内外因素影响，对结构进行时变可靠性分析并进行全寿命优化分析，对于保障结构功能性和安全性十分关键。本项目建立和发展有效的结构时变可靠性分析和计算方法，并研究结构全寿命优化一般问题的最优控制理论模型，提出同时优化结构参数和维护决策的新思路和新方法。内容包括：(1) 、基于性能退化规律、随机过程理论、检测信息和贝叶斯理论，构建结构时变可靠性分析模型和可靠度动态更新原理，同时发展和完善新的时变可靠度计算方法。(2)、以结构时变可靠性模型和分析方法为基础，研究结构设计和维护方案的一体化优化建模。(3)、搭建全寿命优化的最优控制理论模型，综合利用已有的优化方法和动态规划法，实现结构参数和维护策略的一体化设计。(4)、通过桥梁、盾构隧道、海洋管道等时变问题算例，展示本模型和方法的有效性。

基础关键结构在服役期会伴随性能退化，且具有初始建造费用高、失效概率低但失效损失大等特征。考虑内外因素影响，对结构进行时变可靠性分析并进行全寿命优化分析，对于保障结构安全性和经济性十分关键。本项目主要研究内容有：建立和发展有效的结构时变可靠性分析和计算方法；研究结构全寿命优化建模以及求解方法，提出同时优化结构参数和维护决策的新思路和新方法。主要成果有：..(1).提出一个新的基于随机过程的累积损伤模型，用于退化结构的时变可靠度分析。结构的退化损伤包含老化作用引起的渐进损伤，瞬时荷载造成的突然损伤，以及持续荷载导致的附加损伤。推导出累积损伤的卷积表达式，为结构时变可靠性的评估分析提供新的途径。.(2).提出了一种全新的利用瞬时响应面进行时变可靠度分析的方法t-IRS。该方法首先利用扩展最优线性估计（EOLE）将随机过程离散为一系列相互独立的标准正态变量，然后利用瞬时响应代理模型和蒙特卡洛模拟计算时变可靠度，从精度和效率方面解决了一般形式功能函数的分析计算遇到的瓶颈问题。.(3).建立了基于动态规划方法的结构维修优化模型，提出和发展了求解最优维修策略的协调粒子群-动态规划方法co-PSO-DP。.(4).结合最优控制理论，建立了同时考虑结构参数和维修方案的全寿命费用最小化模型，并成功应用co-PSO-DP进行此类双层优化问题的求解。.(5).提出时变可靠度优化设计建模以及求解方法PSO-t-IRS。其中，扩展的瞬时响应面方法（t-IRS）是将结构设计变量也作为构建代理模型的输入。..上述成果拓展了结构时变可靠性的研究内涵，在理论和方法上实现了结构参数和维修方案的一体化设计，为一般的结构时变可靠性分析和设计提供新的解决方案，对于保障基础关键结构的安全和实现利益最大化具有重要意义。