本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)性能不確定性分析領(lǐng)域，尤其涉及一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法。

背景技術(shù)：

1、火箭箭體的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性是確保航天任務(wù)成功的關(guān)鍵因素。加筋殼結(jié)構(gòu)通過在薄殼體上布置加筋條或肋條，顯著提升了結(jié)構(gòu)的局部和整體穩(wěn)定性，使其更能抵抗氣動加熱、振動和壓力波動等惡劣環(huán)境的影響，因此被廣泛用于火箭箭體、燃料箱等關(guān)鍵部位的輕量化設(shè)計。然而，屈曲作為加筋殼結(jié)構(gòu)的一種潛在失效模式，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在未達(dá)到材料強(qiáng)度極限前發(fā)生災(zāi)難性的破壞。因此，屈曲分析在火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性不言而喻，是確保火箭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵步驟。

2、傳統(tǒng)的屈曲分析方法基于確定性框架，無法充分量化外部環(huán)境波動、材料屬性偏差、設(shè)計誤差等不確定性因素及其相關(guān)性對結(jié)構(gòu)屈曲性能的影響，這在現(xiàn)代火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤為受限。為了克服這些局限性，必須采用能夠量化不確定性影響的先進(jìn)分析技術(shù)，通過對不確定性環(huán)境下屈曲風(fēng)險的深入分析和理解，可以在設(shè)計階段就高效、精確地識別潛在風(fēng)險點，從而確保火箭結(jié)構(gòu)在面對復(fù)雜多變的太空環(huán)境時保持完整性和功能性，為航天任務(wù)的順利進(jìn)行提供堅實的保障。

3、然而，在火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估領(lǐng)域，這些方法的應(yīng)用尚處于起步階段，尚未形成系統(tǒng)化的評估流程和技術(shù)體系，本發(fā)明旨在通過copula混合模型和概率權(quán)重配點法對火箭加筋殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性偏差進(jìn)行建模和傳播，以獲得結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差的概率特性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是通過copula混合模型和概率權(quán)重配點法對火箭加筋殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性偏差建模和傳播，從而獲得結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差的概率特性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率特性評估方法，所述的評估方法包括以下步驟：

3、s1確定加筋殼結(jié)構(gòu)不確定性參量，獲取變量對應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)，并采用k均值聚類方法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行初始聚類；

4、s2基于步驟1的聚類結(jié)果構(gòu)建copula混合模型，分別度量聚類后各簇樣本的邊緣概率密度函數(shù)及參數(shù)間的相關(guān)性，進(jìn)而完成火箭加筋殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性建模；

5、s3根據(jù)不確定性建模結(jié)果，基于“分而治之”的思想，對于完成建模的每簇樣本，并采用基于廣義f偏差的代表點選擇方法并獲得代表點和概率權(quán)重；

6、s4將代表點對應(yīng)的數(shù)據(jù)帶入有限元分析軟件，求解對應(yīng)數(shù)據(jù)下加筋殼結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷，獲得代表點的響應(yīng)值；

7、s5在獲得代表點響應(yīng)值的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的概率權(quán)重配點方程直接計算這兩簇變量相應(yīng)的概率密度函數(shù)；

8、s6將獲得的兩簇概率密度函數(shù)按照權(quán)重合并，最終得到火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差的概率分布特征。

9、所述s2進(jìn)一步包括：對于火箭加筋殼體結(jié)構(gòu)，通采樣獲得n組加筋殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為樣本數(shù)據(jù)，在基于copula混合模型進(jìn)行不確定建模時，其對數(shù)似然函數(shù)的計算公式為：

10、

11、式中，ωj表示copula混合模型所得第j簇樣本數(shù)據(jù)各自所占的權(quán)重，hj表示第j簇樣本對應(yīng)的copula函數(shù)，ξj為第j簇聚類的邊緣分布參數(shù)及相關(guān)性參數(shù)，xi(i＝1,2,3,…,n)表示測量獲得的n組加筋殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

12、所述s3進(jìn)一步包括，在選擇代表點時基于以下公式：

13、x”m,i＝fi-1(u”m,i|θi)

14、

15、其中n表示所需代表點個數(shù)，u”m,i、u'm,i和um,i分別表示三次逆變換后各代表點對應(yīng)的cdf值，其中u”m,i是基于sobol隨機(jī)序列生成的，x”m,i、x'm,i和xm,i分別表示三次逆變換后各代表點的各維坐標(biāo)，其中xm,i即為最終代表點坐標(biāo)，m＝(1,2,3,l,n)表示第m個樣本點。θi表示第i維隨機(jī)變量不確定性參數(shù)。

16、為求解代表點對應(yīng)的概率權(quán)重pm，首先根據(jù)構(gòu)建的度量模型采樣蒙特卡洛方法生產(chǎn)nmc個樣本。隨后，以代表點為聚類中心，對nmc個樣本進(jìn)行聚類分析，則代表點對應(yīng)的概率權(quán)重pm可通過下式獲得

17、

18、λ(xm)表示針對聚類分析后，nmc個樣本中歸入xm簇的樣本個數(shù)。

19、所述s5進(jìn)一步包括，改進(jìn)的概率權(quán)重配點方法采用下式獲取響應(yīng)的概率分布特征：

20、

21、其中，n為所選代表點的數(shù)量，xm為第m個代表點，g(xm)有限元模擬的計算響應(yīng)值，為θx,m為其代表區(qū)域，pt為代表區(qū)域?qū)?yīng)的概率值。該公式基于高斯函數(shù)使響應(yīng)的概率密度函數(shù)變得連續(xù)且平滑，較好地取代了狄拉克函數(shù)。

22、所述的一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法還包括前置步驟0：數(shù)據(jù)預(yù)處理，該步驟包括去除樣本數(shù)據(jù)中的異常值和缺失值，并對剩余樣本進(jìn)行歸一化處理，以消除不同量綱對后續(xù)分析的影響。

23、所述s4中有限元分析軟件在進(jìn)行臨界屈曲載荷求解時，考慮不確定性條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)非線性特性，以提高求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。

24、本發(fā)明的有益效果是通過結(jié)合有限元仿真模擬、copula混合模型和改進(jìn)的概率權(quán)重配點法，實現(xiàn)了對火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差的概率特性分析，具有定量化、高準(zhǔn)確性和高效率的顯著優(yōu)勢，具體體現(xiàn)如下：

25、1、定量化分析參數(shù)偏差與相關(guān)性影響：本發(fā)明結(jié)合了有限元仿真模擬，對火箭加筋殼結(jié)構(gòu)中存在的不確定性偏差和相關(guān)性進(jìn)行傳播分析，能夠定量化地分析參數(shù)偏差和相關(guān)性對屈曲載荷的影響，從而獲得了加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差的概率分布特性，這一特性對于評估火箭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

26、2、高維參數(shù)偏差特性的準(zhǔn)確度量：本發(fā)明基于copula混合模型實現(xiàn)了火箭加筋殼模型參數(shù)的不確定性建模，能夠準(zhǔn)確度量高維參數(shù)偏差特性及其相關(guān)性，具有較高的普適性。這一建模方法不僅提高了分析的準(zhǔn)確性，并通過組合多種copula函數(shù)有效拓寬了本發(fā)明對不同類型相關(guān)性的應(yīng)用范圍。

27、3、提高評估效率及優(yōu)化分析流程：本發(fā)明采用改進(jìn)的概率權(quán)重配點法，通過集成算法的優(yōu)勢，減少所需代表點的數(shù)量，有效解決了偏差傳播分析中的計算效率瓶頸問題。本發(fā)明中的評價方法可利用并行計算平臺和加速技術(shù)(如gpu加速、多核cpu并行處理)對有限元分析過程進(jìn)行加速，優(yōu)化分析流程、縮短求解時間?；诖?，可顯著提高屈曲載荷偏差概率特性的評估效率，降低分析成本和時間消耗。

技術(shù)特征：

1.一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率特性評估方法，其特征在于，所述的評估方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法，其特征在于,所述s2進(jìn)一步包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法，其特征在于，所述s3進(jìn)一步包括，在選擇代表點時基于以下公式：

4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法，其特征在于，所述s5進(jìn)一步包括，改進(jìn)的概率權(quán)重配點方法采用下式獲取響應(yīng)的概率分布特征：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法，其特征在于，還包括前置步驟0：數(shù)據(jù)預(yù)處理，該步驟包括去除樣本數(shù)據(jù)中的異常值和缺失值，并對剩余樣本進(jìn)行歸一化處理，以消除不同量綱對后續(xù)分析的影響。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率評估方法，其特征在于，所述s4中，有限元分析軟件在進(jìn)行臨界屈曲載荷求解時，考慮不確定性條件下的結(jié)構(gòu)力學(xué)非線性特性，以提高求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種火箭加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率特性評估方法，鑒于傳統(tǒng)確定性方法無法有效應(yīng)對外部環(huán)境、材料屬性等不確定性影響，本發(fā)明利用Copula混合模型建模變量不確定性，并通過“分而治之”策略，結(jié)合改進(jìn)的概率權(quán)重配點法，對各參數(shù)簇進(jìn)行獨立不確定性傳播分析；此方法高效獲取高維參數(shù)空間響應(yīng)概率散布，綜合各簇結(jié)果評估屈曲載荷偏差概率；本發(fā)明為考慮多參數(shù)隨機(jī)偏差的加筋殼結(jié)構(gòu)屈曲載荷偏差概率分布特性評估提供基礎(chǔ)，助力可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計。

技術(shù)研發(fā)人員：曹立雄,劉杰,姜潮,謝拔丞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9