一种复杂岩土工程可靠性分析装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩土工程领域，尤其是涉及一种复杂岩土工程可靠性分析装置和方 法。
【背景技术】
[0002] 为了考虑各种不确定性对岩土工程的影响，可靠度理论已被广泛的应用在各类岩 土工程中。岩土工程可靠度分析涉及岩土模型和可靠度计算的耦合。对于复杂的岩土工程 问题，其受力变形的机理相当复杂，必须借助商业软件进行分析。然而，目前现有岩土工程 软件都只能进行确定性分析，无法进行可靠度分析。如何分析复杂岩土工程可靠度是目前 岩土工程风险分析领域的一个技术瓶颈。在得到岩土工程极限状态方程隐式解后如果直接 使用蒙特卡罗法计算可靠度，计算量巨大，时间成本太高，所以常常使用响应面法将隐式极 限状态方程可靠度问题转换为显示极限状态方程可靠度问题进行求解。响应面法能减少数 值模拟次数且概念清晰，因而在岩土工程可靠度分析中响应面法得到了广泛的应用。
[0003] 响应面法仅在插值点范围内具有较高的精度；在插值点范围外，其精度无法保证。 关键是计算获得验算点的准确位置。为此，可采用迭代法对响应面进行更新，使得构建的 响应面在设计点周围具有较高精度，从而得到验算点的准确位置。在采用迭代法进行计算 时，每次更新设计点后需要使用有限元法计算各个新取样点的响应值，有限元计算量大且 繁琐。每一次从可靠度计算再到有限元计算由于不是自动进行，容易出现人为的数值错误。 为了解决上述问题本文提出利用科学计算软件Matlab和现有商业有限元软件之间的数据 交换实现迭代响应面法的自动计算。在进行响应面法迭代计算时，进行确定性分析时岩土 工程参数中是不允许负数的出现的，由于往往都是采用手动的方法进行迭代计算，所以能 够在每步迭代时及时的调整取样步长从而保证取样点中没有负数，但要想实现可靠度的自 动计算电脑无法智能的每步及时调整步长，因此本方法提出一种新的响应面取样方法，保 证在迭代计算过程中所有的取样点都为正数。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复杂岩土工程 可靠性分析装置和方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，包括中心点转换模块、取样点生 成模块、取样点回转模块、有限元分析模块、可靠度计算模块和流程控制模块；
[0007] 所述的中心点转换模块，用于将输入的随机变量在原始空间中的中心点转换为标 准正态空间随机变量中心点汰，y2，…，yn}，其中1彡i彡n，yi为所述随机变量中心点在第 i维上的值；
[0008] 所述的取样点生成模块，根据中心点转换模块或者流程控制模块输入的随机变量 中心点{y。y2，…，yn}计算得到标准正态空间中的2n+l个取样点，完成在标准正态空间中 的响应面取样；
[0009] 所述的取样点回转模块，用于将标准正态空间中的2n+l个取样点转换回其原始 空间中；
[0010] 所述的有限元分析模块，建立有限元或有限元差分计算的数值模型，并根据所述 的转换回原始空间的2n+l个取样点计算极限状态方程的值；
[0011] 所述的可靠度计算模块，根据所述的标准正态空间中的2n+l个取样点以及所述 的极限状态方程的值在标准正态空间中建立响应面，并通过验算点法获得可靠度及验算 占.
[0012] 所述的流程控制模块，用于在每次获得可靠度结果后，将该可靠度结果与前一次 可靠度结果做差，当所做的差的绝对值大于设定的阈值时，则将该验算点作为中心点重新 输入取样点生成模块；反之则以该可靠度为最终可靠度结果输出。
[0013] 所述取样点生成模块生成的标准正态空间中的2n+l个取样点分别为随机变量中 心点{y1;y2,…，yj，以及{yiik，y2,…，yj，{y1;y2±k，…，yn}，…，{y1;y2, ...，yn±k};其 中，1 <i<n，71为随机变量中心点在第i维上的值。
[0014] 当所述的原始空间为对数正态空间时，对数正态空间与标准正态空间的转换关系 为：x=exp〇 + €y)，其中：
【主权项】
1. 一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，包括中心点转换模块、取样点生成 模块、取样点回转模块、有限元分析模块、可靠度计算模块和流程控制模块； 所述的中心点转换模块，用于将输入的随机变量在原始空间中的中心点转换为标准正 态空间随机变量中心点汰，y2，…，yn}，其中1彡i彡n，yi为所述随机变量中心点在第i维 上的值； 所述的取样点生成模块，根据中心点转换模块或者流程控制模块输入的随机变量中心 点{yi，y2,…，yJ计算得到标准正态空间中的2n+i个取样点,完成在标准正态空间中的响 应面取样； 所述的取样点回转模块，用于将标准正态空间中的2n+l个取样点转换回其原始空间 中； 所述的有限元分析模块，建立有限元或有限元差分计算的数值模型，并根据所述的转 换回原始空间的2n+l个取样点计算极限状态方程的值； 所述的可靠度计算模块，根据所述的标准正态空间中的2n+l个取样点以及所述的极 限状态方程的值在标准正态空间中建立响应面，并通过验算点法获得可靠度及验算点； 所述的流程控制模块，用于在每次获得可靠度结果后，将该可靠度结果与前一次可靠 度结果做差，当所做的差的绝对值大于设定的阈值时，则将该验算点作为中心点重新输入 取样点生成模块；反之则以该可靠度为最终可靠度结果输出。
2. 根据权利要求1所述的一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，所述取 样点生成模块生成的标准正态空间中的2n+l个取样点分别为随机变量中心点{yp y2，… ，yj，以及{yjk，y2,…，yj , {y1; y2±k，…，yj ,…，{y" y2,…，yn±k};其中，1 彡 i 彡 n，yi 为随机变量中心点在第i维上的值。
3. 根据权利要求1或2所述的一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，当 所述的原始空间为对数正态空间时，对数正态空间与标准正态空间的转换关系为：x= exp〇 + € y)，其中：
其中，x为变量在对数正态空间中的值，y为变量转换到标准正态空间中的值，I为正 态空间中的标准差，Sx为对数正态空间中的标准差，入为正态空间中的均值；y 对数正 态空间中的均值。
4. 根据权利要求1中所述的一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，所述设 定的阈值为〇.〇1。
5. 根据权利要求1中所述的一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，所述的 中心点转换模块、取样点生成模块、取样点回转模块、可靠度计算模块和流程控制模块由 MATLAB实现，所述的有限元分析模块由FLAC3D实现，MATLAB与FLAC3D通过文本文件进行 数据通信。
6. -种复杂岩土工程可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将输入的随机变量在原始空间中的中心点转换为标准正态空间随机变量中心点 {yi，y2,…，yj，其中1彡i彡n, yi为所述随机变量中心点在第i维上的值； (2) 根据步骤⑴或者步骤（6)输入的随机变量中心点{yi，y2，…，yn}计算得到标准正 态空间中的2n+l个取样点，完成在标准正态空间中的响应面取样； (3) 将标准正态空间中的2n+l个取样点转换回其原始空间中； (4) 建立有限元或有限元差分计算的数值模型，并根据所述的转换回原始空间的2n+l 个取样点计算极限状态方程的值； (5) 根据所述的标准正态空间中的2n+l个取样点以及所述的极限状态方程的值在标 准正态空间中建立响应面，并通过验算点法获得可靠度及验算点； (6) 获得可靠度结果后，将该可靠度结果与前一次可靠度结果做差，当所做的差的绝对 值大于设定的阈值时，则将该验算点作为中心点重新输入取样点生成模块；反之则以该可 靠度为最终可靠度结果输出。
7. 根据权利要求5所述的一种复杂岩土工程可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤 (2)生成的标准正态空间中的2n+l个取样点分别为随机变量中心点{y。y 2，…，yn},以及 {yi±k, y2,…，yj，{y1; y2±k,…，yj，…，{y1; y2,…，yn±k};其中，1 彡 i 彡 n, yA随机变 量中心点在第i维上的值。
8. 根据权利要求5或6所述的一种复杂岩土工程可靠性分析方法，其特征在于， 所述的原始空间为对数正态空间时，对数正态空间与标准正态空间的转换关系为：x= exp ("入 + [ v)，其中：
其中，x为变量在对数正态空间中的值，y为变量转换到标准正态空间中的值，I为正 态空间中的标准差，Sx为对数正态空间中的标准差，入为正态空间中的均值；y 对数正 态空间中的均值。
9. 根据权利要求5中任意所述的一种复杂岩土工程可靠性分析方法，其特征在于，所 述设定的阈值为0.01。
10. 根据权利要求1中所述的一种复杂岩土工程可靠性分析装置，其特征在于，所述的 步骤（1)、步骤（2)、步骤（3)、步骤（5)、步骤（6)由MATLAB实现，所述的步骤（4)由FLAC3D 实现，MATLAB与FLAC3D通过文本文件进行数据通信。
【专利摘要】本发明涉及一种复杂岩土工程可靠性分析装置和方法。本发明的装置包括中心点转换模块、取样点生成模块、取样点回转模块、有限元分析模块、可靠度计算模块和流程控制模块；本发明的方法包括以下步骤：中心点转换步骤、取样点生成步骤、取样点回转步骤、有限元分析步骤、可靠度计算步骤和流程控制步骤。与现有技术相比，本发明提出的改进响应面法解决旧响应法对步长取值敏感及在迭代过程中需要不断手动调整步长的问题，以及由于步长取值太大而出现负数取样点的问题，为实现复杂岩土工程中可靠度分析与确定性分析的自动耦合计算提供了理论基础；本发明能大大减少复杂岩土工程可靠度计算的工作量，实现复杂岩土工程可靠度与确定性的自动耦合计算。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104615826
【申请号】CN201510053548
【发明人】张洁, 陈宏智, 马建增
【申请人】同济大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月2日