小概率失效下基于主动学习Kriging模型的可靠性分析方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51705433
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0504.机械结构强度学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Active learning Kriging (ALK) model chooses training points in a demand-oriented way. During approximating the performance function by an ALK model, much attention can be focused on the vicinity of the limit state. Therefore, reliability analysis with ALK model is capable of obtaining a highly precise result with calling the performance function as few times as possible. However, during addressing rare event estimation, ALK model suffers from several fatal challenges that: purely building the ALK model is pretty time-consuming; it lacks an efficient parallel computing strategy; system reliability analysis with multiple failure modes remains an issue. In this project, we will firstly investigate the fusion of ALK model and the importance sampling method. Two novel strategies will be proposed to build an ALK model focusing on identifying the most probable failure regions of a performance function. The ALK model will be continually updated by treating important samples as candidate points. Consequently, the computational costs purely spent on ALK model can be remarkably reduced. The superiority of ALK model in efficiency and accuracy can be inherited at the same time. Secondly, combining with an efficient strategy of adding training points in parallelization and a brand-new scheme of adding training points for a system, the proposed methods are adjusted to the parallel compute environment and system reliability analysis with multiple failure modes. Finally, reliability analysis of a rail vehicle axle will be performed to verify the effectiveness of the proposed methods. Accordingly, some advices will be offered to improve the reliability of the axle.
主动学习Kriging(ALK)模型以需求为导向挑选训练点,能够仅仅在极限状态平面附近的狭小区域对功能函数进行近似。因此,基于ALK模型的可靠性分析方法能够在保证精度的前提下尽量少地调用结构的功能函数。但是,在处理小概率失效问题时,ALK模型遭遇了巨大挑战:建立ALK模型耗费时间过长;缺乏高效的并行策略;难以适用于多模式系统可靠性分析。本课题首先开展ALK模型与重要抽样方法融合技术的研究,提出两种全新的策略,以识别功能函数的最可能失效区域为导向建立ALK模型,并以重要抽样仿真样本作为候选点继续更新ALK模型。从而在保持ALK模型高效高精度的同时,显著缩短建立ALK模型的计算时间。而后结合高效的并行加点策略和全新的系统加点策略,实现所提方法在分布式并行运算环境以及多模式系统可靠性分析中的应用。最后开展轨道车辆车轴的可靠性分析,验证所提方法高效性的同时,为提高车轴的可靠性提供参考意见。

结项摘要

研究高效高精度的计算方法是当前结构可靠性分析领域的重中之重。基于主动学习Kriging(ALK)模型的可靠性分析方法能够在保证精度的前提下尽量少地调用结构的功能函数。但是,在处理小概率失效问题时,已有方法基于ALK模型和Monte Carlo仿真,面临了难以克服的挑战。本项目针对ALK模型在处理小概率失效问题时所面临的困境,开展了融合ALK模型与多种重要抽样法的研究工作。项目研究人员根据各种重要抽样法各自的特点,提出了基于同心圆环逼近、自适应重要抽样区、多模优化算法等多种策略,高效识别最可能失效区域并添加最优训练点。此外,结合自适应截断候选区和自适应候选点的系统可靠性分析策略,实现了所提方法在多失效模式系统可靠性分析中的应用。基于上述研究,项目研究人员发表论文9篇。其中,SCI论文7篇,且多数发表在Reliability Engineering and System Safety、Structural and Multidisciplinary Optimization、International Journal for Numerical Methods In Engineering 等本领域内知名刊物上。项目研究成果为复杂工程领域,功能函数存在多失效区域、多失效模式、失效概率极小的中低维问题提供了一整套切实可行的解决方案,在航空航天、轨道交通、土木工程等领域具有较为广阔的应用前景。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(0)
Active Learning Kriging Model Combining With Kernel-Density-Estimation-Based Importance Sampling Method for the Estimation of Low Failure Probability
主动学习克里金模型结合基于核密度估计的重要性采样方法进行低故障概率估计
  • DOI:
    10.1115/1.4039339
  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
    Journal of Mechanical Design
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Yang Xufeng;Liu Yongshou;Mi Caiying;Wang Xiangjin
  • 通讯作者:
    Wang Xiangjin
基于改进Kriging模型的主动学习可靠性分析方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    机械强度,2021,43(01):129-136.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈哲;杨旭锋;程鑫
  • 通讯作者:
    程鑫
A system reliability analysis method combining active learning Kriging model with adaptive size of candidate points
主动学习Kriging模型与候选点大小自适应相结合的系统可靠性分析方法
  • DOI:
    10.1007/s00158-019-02205-x
  • 发表时间:
    2019-02
  • 期刊:
    Structural and Multidisciplinary Optimization
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Yang Xufeng;Mi Caiying;Deng Dingyuan;Liu Yongshou
  • 通讯作者:
    Liu Yongshou
Bounds approximation of limit-state surface based on active learning Kriging model with truncated candidate region for random-interval hybrid reliability analysis
基于主动学习克里金模型的随机区间混合可靠性分析截断候选区域的极限状态面边界逼近
  • DOI:
    10.1002/nme.6269
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    International Journal for Numerical Methods in Engineering
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Yang Xufeng;Wang Tai;Li Jincheng;Chen Zhang
  • 通讯作者:
    Chen Zhang
System reliability analysis through active learning Kriging model with truncated candidate region
通过主动学习截断候选区域的克里金模型进行系统可靠性分析
  • DOI:
    10.1016/j.ress.2017.08.016
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Reliability Engineering & System Safety
  • 影响因子:
    8.1
  • 作者:
    Yang Xufeng;Liu Yongshou;Mi Caiying;Tang Chenghu
  • 通讯作者:
    Tang Chenghu

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其他文献

三维机织复合材料残余应力/应变多尺度分析及工艺参数优化
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    复合材料学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王琦;蒋秋梅;杨旭锋;任明法
  • 通讯作者:
    任明法
基于螺旋相位调制的非相干全息点扩散函数研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
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  • 作者:
    赵忠超;杨旭锋;许天旭;何九如;弓巧侠;杜艳丽;董林;袁斌;马凤英
  • 通讯作者:
    马凤英

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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