基于分层元重要抽样的涡轮轴疲劳寿命可靠性分析方法

所属的技术人员能够理解，本公开的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。下面参照图9来描述根据本公开的这种实施方式的电子设备900。图9显示的电子设备900仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。如图9所示，电子设备900以通用计算设备的形式表现。电子设备900的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元910、上述至少一个存储单元920、连接不同系统组件(包括存储单元920和处理单元910)的总线930以及显示单元940。其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元910执行，使得所述处理单元910执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤。例如，所述处理单元910可以执行如图1中所示的步骤。存储单元920可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)9201和/或高速缓存存储单元9202，还可以进一步包括只读存储单元(rom)9203。存储单元920还可以包括具有一组(至少一个)程序模块9205的程序/实用工具9204，这样的程序模块9205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。总线930可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。电子设备900也可以与一个或多个外部设备1000(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备900交互的设备通信，和/或与使得该电子设备900能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口950进行。并且，电子设备900还可以通过网络适配器960与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器960通过总线930与电子设备900的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备900使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者电子设备等)执行根据本公开实施方式的方法。在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本公开的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤。根据本公开的实施方式的用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本公开的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。此外，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未发明的本中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

背景技术：

1、在充分考虑随机不确定性因素的基础上，结构可靠性分析可以对结构的安全程度进行量化分析，且一般采用失效概率来表示结构的安全程度。

2、相关技术中的模拟方法求解失效概率需要很大的样本量，十分耗时。因此，所需的样本数量较多且效率较低。

技术实现思路

1、本公开的目的在于提供一种基于分层元重要抽样的涡轮轴疲劳寿命可靠性分析方法及装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的可靠性分析效率较低的问题。

2、本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

3、根据本公开的第一方面，提供一种基于分层元重要抽样的涡轮轴疲劳寿命可靠性分析方法，包括：构建涡轮轴的几何仿真模型；对所述涡轮轴的几何仿真模型进行分析，确定影响涡轮轴低周疲劳可靠性的随机变量，并确定所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系；根据所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系，建立涡轮轴的低周疲劳可靠性分析模型，得到涡轮轴失效的功能函数；构建所述功能函数的初始模型，利用分层数字模拟结合元重要抽样方法对所述初始模型的模型参数进行更新，得到失效概率的估计值，以确定所述涡轮轴的疲劳可靠性。

4、在本公开的一种示例性实施例中，所述对所述涡轮轴的几何仿真模型进行分析，确定影响所述涡轮轴低周疲劳可靠性的随机变量，并确定所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系包括：定义所述涡轮轴的几何仿真模型的材料属性；确定所述涡轮轴的几何仿真模型在低周工作状态下所受的外部载荷；基于所述材料属性以及外部载荷确定所述随机变量；对所述涡轮轴的几何仿真模型施加约束进行有限元分析，以确定随机变量与所述涡轮轴设计寿命之间的关系。

5、在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系，建立涡轮轴低周疲劳的可靠性分析模型，得到失效的功能函数，包括：构建涡轮轴的几何仿真模型在预设温度下的低周疲劳概率寿命模型；对所述低周疲劳概率寿命模型与线性疲劳累积损伤模型进行结合，得到涡轮轴的几何仿真模型在一个复合载荷状况下的累积疲劳损伤，并根据所述累积疲劳损伤确定涡轮轴的低周疲劳寿命；基于所述涡轮轴的低周疲劳寿命以及所述涡轮轴的低周疲劳寿命阈值，确定所述涡轮轴失效的功能函数。

6、在本公开的一种示例性实施例中，所述构建所述功能函数的初始模型，利用分层数字模拟结合元重要抽样方法对所述初始模型的模型参数进行更新，得到失效概率的估计值，以确定所述涡轮轴的疲劳可靠性，包括：根据随机变量的联合概率密度函数抽取样本集以及初始训练集；根据所述初始训练集构造功能函数的初始模型；对初始模型进行更新，直至初始模型收敛，得到收敛模型；基于收敛模型得到失效概率的估计值。

7、在本公开的一种示例性实施例中，所述对初始模型进行更新，直至初始模型收敛，得到收敛模型，包括：抽取重要抽样样本，并对所述重要抽样样本进行聚类分析，将每个类别的中心加入训练集中，并通过所述训练集更新初始模型。

8、在本公开的一种示例性实施例中，所述基于收敛模型得到失效概率的估计值，包括：利用收敛模型计算样本集的功能函数值，并获取中间层失效事件的临界值，以得到第一层失效域和第一层的失效概率；通过当前模型和接受域抽取重要抽样样本，并对重要抽样样本进行聚类分析，将每个类别的中心加入训练集中，并根据训练集更新所述当前模型；根据所述当前模型的收敛性，对当前模型进行更新，以得到失效概率的估计值。

9、在本公开的一种示例性实施例中，所述根据所述当前模型的收敛性对模型进行更新，包括：若所述收敛性为收敛，将重要抽样样本作为备选样本池，根据学习函数更新当前模型直至收敛，根据当前模型识别重要抽样样本的失效域指示函数的估计值，并根据失效域指示函数估计值得到失效概率的估计值；若不收敛，重新抽取重要抽样样本，根据重新抽取的重要抽样样本确定指示函数的估计值，并根据失效域指示函数估计值得到失效概率的估计值。

10、在本公开的一种示例性实施例中，所述根据失效域指示函数估计值得到失效概率的估计值，包括：根据失效域指示函数确定中间层临界值，并确定各层的条件失效概率；若所述中间层临界值为预设值，根据各层的条件失效概率得到失效概率的估计值；若所述中间层临界值不为预设值，重新抽取重要抽样样本，并根据重新抽取的重要抽样样本确定指示函数的估计值，并根据失效域指示函数估计值得到失效概率的估计值。

11、在本公开的一种示例性实施例中，根据各层的条件失效概率得到失效概率的估计值，包括：根据各层的条件失效概率以及第一层的失效概率确定所示失效概率的估计值。

12、根据本公开的第二方面，提供一种基于分层元重要抽样的涡轮轴疲劳寿命可靠性分析装置，包括：构建涡轮轴的几何仿真模型；对所述涡轮轴的几何仿真模型进行分析，确定影响涡轮轴低周疲劳可靠性的随机变量，并确定所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系；根据所述随机变量与涡轮轴设计寿命之间的关系，建立涡轮轴的低周疲劳可靠性分析模型，得到涡轮轴失效的功能函数；构建所述功能函数的初始模型，利用分层数字模拟结合元重要抽样方法对所述初始模型的模型参数进行更新，得到失效概率的估计值，以确定所述涡轮轴的疲劳可靠性。

13、本公开实施例中提供的技术方案中，通过建立涡轮轴的低周疲劳可靠性分析模型以得到涡轮轴失效的功能函数，进而构建功能函数的初始模型，以通过分层数字模拟结合元重要抽样方法对所述初始模型的模型参数进行更新，得到失效概率的估计值。对涡轮轴低周疲劳可靠性分析的样本量需求小，减少了可靠性分析中的资源消耗、缩短了可靠性分析时间，提高了涡轮轴低周疲劳可靠性分析的效率，也提高了可靠性分析的精准度。

14、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。