多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效概率预测方法与流程

本发明涉及结构可靠度预测，特别是涉及一种多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效概率预测方法。

背景技术：

1、在多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效可靠度研究中，层间滑移失效的主要机制与内部摩擦力和振动造成的惯性力有关。当摩擦力小于瞬时惯性力时，便可能会发生层间滑移。尽管失效机制简单明了，但对于一个现实的结构，层间滑移过程的建模可能是较为困难的。首先，聚合物材料通常具有粘弹性，由初始应变带来的初始内应力会不可避免地因粘弹性材料的应力松弛而逐渐降低。聚合物材料的应力松弛过程具有随机性，因此需要建立适当的随机模型。

2、多轴惯性力来源与服役过程中的结构受到的多种随机振动，例如风、地震和机械设备振动，这些振动会产生随机加速度谱，在结构中产生多轴惯性力。惯性力的大小、方向与结构的几何形状和边界条件有关，需要进行精确计算分析。此外，外部随机振动还可能包含多个波包，这使得结构响应更加复杂和难以预测。在研究初始，随机振动被假设为一种平稳随机过程并建模分析，如将随机振动视为时域上一系列随机脉冲(如正弦波)叠加而成的平稳随机过程的随机脉冲模型、将振动过程看作白噪声过程的白噪声模型及在此基础上考虑多层结构缓冲层的过滤白噪声模型。然而，从工程角度出发，随机振动往往是同时含有冲击与振动的非平稳随机过程，可使用bolotin基于均匀调制方法开发的强度非平稳模型进行描述，其将随机振动的载荷谱分解为振幅包络模型和一个平稳随机过程的乘。

3、目前，最常用的包络模型是单峰模型与分段模型，两者都假定振动过程最多只存在一个波包，但研究表明，在实际振动中(如地震与交通运输)往往存在多个波包，从而限制上述包络模型的适用性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效概率预测方法，通过构建结构各个位置的层间滑移失效模型，并在此基础上实现失效概率预测。

2、一种多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效概率预测方法，其包括：

3、获取多层异质预紧夹层结构的历史振动数据集，并根据冲击载荷是否发生在振动任意位置，分为随机振动数据集和多峰冲击载荷数据集；

4、基于所述随机振动数据集构建随机振动预测模型；基于所述多峰冲击载荷数据集构建多峰冲击载荷预测模型；

5、基于待预测多层异质预紧夹层结构的材料类型与服役温度，构建应力松弛模型；基于所述应力松弛模型、所述随机振动预测模型和所述多峰冲击载荷预测模型构建层间滑移失效模型；

6、对于待预测多层异质预紧夹层结构的每个位置，均执行以下过程，得到每个位置、每个选定时刻的层间滑移失效概率，基于每个位置、每个选定时刻的层间滑移失效概率确定待预测多层异质预紧夹层结构中各个位置的滑移失效预测结果；

7、基于所述多峰冲击载荷预测模型进行预测，得到全局多峰冲击载荷预测数据；所述全局多峰冲击载荷预测数据包括第一全局x轴预测分量、第一全局y轴预测分量和第一全局z轴预测分量；

8、基于所述随机振动预测模型进行预测，得到随机振动预测数据；所述随机振动预测数据包括第二全局x轴预测分量、第二全局y轴预测分量和第二全局z轴预测分量；

9、对所述第一全局x轴预测分量和所述第二全局x轴预测分量进行求和得到全局x轴预测分量，对所述第一全局y轴预测分量和所述第二全局y轴预测分量进行求和得到全局y轴预测分量，对所述第一全局z轴预测分量和所述第二全局z轴预测分量进行求和得到全局z轴预测分量；

10、以选定位置为原点建立局部坐标系；局部坐标系的z’轴垂直于滑移面，局部坐标系的x’轴与y’轴平行与滑移面；

11、将所述全局x轴预测分量、所述全局y轴预测分量和所述全局z轴预测分量均使用方向余弦方法分解到所述局部坐标系中并进行求和，得到局部x’轴预测分量、局部y’轴预测分量和局部z’轴预测分量；

12、将所述局部x’轴预测分量、所述局部y’轴预测分量和所述局部z’轴预测分量带入所述层间滑移失效模型，使用蒙特卡洛方法得到选定位置、选定时刻下的层间滑移失效概率。

13、优选地，所述基于所述随机振动数据集构建随机振动预测模型；基于所述多峰冲击载荷数据集构建多峰冲击载荷预测模型，具体为：

14、对所述多峰冲击载荷数据集中的多峰冲击载荷数据按照南北、东西和竖直方向进行分解，分别得到第一x轴振动分量集、第一y轴振动分量集和第一z轴振动分量集；

15、对所述随机振动数据集中的随机振动数据按照南北、东西和竖直方向进行分解，分别得到第二x轴振动分量集、第二y轴振动分量集和第二z轴振动分量集；

16、基于所述第一x轴振动分量集，采用均匀调制方法进行建模，得到第一x轴预测模型，基于所述第一y轴振动分量集，采用均匀调制方法进行建模，得到第一y轴预测模型，基于所述第一z轴振动分量集，采用均匀调制方法进行建模，得到第一z轴预测模型；所述多峰冲击载荷预测模型包括所述第一x轴预测模型、所述第一y轴预测模型和所述第一z轴预测模型；

17、基于所述第二x轴振动分量集，采用逆抽样方法进行建模，得到第二x轴预测模型，基于所述第二y轴振动分量集，采用逆抽样方法进行建模，得到第二y轴预测模型，基于所述第二z轴振动分量集，采用逆抽样方法进行建模，得到第二z轴预测模型；所述随机振动预测模型包括所述第二x轴预测模型、所述第二y轴预测模型和所述第二z轴预测模型。

18、优选地，所述基于所述多峰冲击载荷预测模型进行预测，得到全局多峰冲击载荷预测数据，具体为：

19、基于所述第一x轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第一全局x轴预测分量；基于所述第一y轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第一全局y轴预测分量；基于所述第一z轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第一全局z轴预测分量。

20、优选地，所述基于所述随机振动预测模型进行预测，得到结构全局随机振动预测数据，具体为：

21、基于所述第二x轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第二全局x轴预测分量；基于所述第二y轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第二全局y轴预测分量；基于所述第二z轴预测模型进行预测，得到待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的所述第二全局z轴预测分量。

22、优选地，所述将所述全局x轴预测分量、所述全局y轴预测分量和所述全局z轴预测分量均使用方向余弦方法分解到所述局部坐标系中并进行求和，得到局部x’轴预测分量、局部y’轴预测分量和局部z’轴预测分量，具体为：

23、将所述全局x轴预测分量使用方向余弦方法分解到所述局部坐标系中，得到局部第一x’轴分量、局部第一y’轴分量和局部第一z’轴分量；

24、将所述全局y轴预测分量使用方向余弦方法分解到所述局部坐标系中，得到局部第二x’轴分量、局部第二y’轴分量和局部第二z’轴分量；

25、将所述全局z轴预测分量使用方向余弦方法分解到所述局部坐标系中，得到局部第三x’轴分量、局部第三y’轴分量和局部第三z’轴分量；

26、对所述局部第一x’轴分量、所述局部第二x’轴分量和所述局部第三x’轴分量进行求和得到所述局部x’轴预测分量；

27、对所述局部第一y’轴分量、所述局部第二y’轴分量和所述局部第三y'轴分量进行求和得到所述局部y’轴预测分量；

28、对所述局部第一z’轴分量、所述局部第二z’轴分量和所述局部第三z’轴分量进行求和得到所述局部z’轴预测分量。

29、优选地，所述第一x轴预测模型如下式：

30、am(t)＝f(t)as(t)；

31、式中：t为时间，am(t)为多峰冲击载荷的加速度，即为第一全局x轴预测分量，f(t)为包络模型，as(t)为平稳随机过程，d为拟合参数，n为高斯分量的数量，n基于贝叶斯信息准则进行确定，ai、bi和ci均为第i个高斯分量的参数，t为转置，μe为as(t)的均值，σe为as(t)的标准差，m是独立标准高斯随机变量的数量，与第一x轴振动分量的样本数相同，zj是第j个独立标准高斯随机变量，c(t)为自相关矩阵，λj为c(t)的特征值，φj为c(t)的特征向量，ρ(tj,tk),j＝1,2,...,m,k＝1,2,...,m为自相关函数。

32、优选地，所述层间滑移失效模型如下式：

33、g(t)＝σf(t)-σi(t)；

34、式中：g(t)为性能函数，即为t时刻待预测多层异质预紧夹层结构中选定位置的状态指示函数，g(t)≥0为安全，g(t)<0为失效；σf(t)为t时刻的最大摩擦力，σi(t)为t时刻的惯性应力，σ'x(t)为t时刻局部x’轴预测分量，σ'y(t)为t时刻的局部y’轴预测分量，σf(t)＝μ0·|σs(t)+σz'(t)|，σz'(t)为t时刻的局部z’轴预测分量，σs(t)为基于应力松弛模型得到的t时刻的层间接触应力，μ0为静摩擦系数。

35、优选地，对公式中的m进行截断处理，具体为：

36、令m＝r，将上式截断为含有前r个最大特征值的r项，如下式：

37、

38、令r从高至低依次取不同的值，分别计算上式的统计误差，得到统计误差集，将所述统计误差集中小于误差设定值的统计误差作为初始优选集，将所述初始优选集中各统计误差对应的r值的最小值作为最终的t值。。

39、本发明的效果如下：

40、本发明多层异质预紧夹层结构的层间滑移失效概率预测方法考虑了结构几何形状的影响，能够预测结构整体在多轴的随机震动与冲击载荷下结构整体的失效概率随时间的变化。基于所述结构整体的失效概率随时间变化，能够直接给出结构最易失效位置。