第7章随机有限元法-Read.doc

第7章 随机有限元法 §7.1 绪论 结构工程中存在诸多的不确定性因素，从结构材料性能参数到所承受的主要荷载，如车流、阵风或地震波，无不存在随机性。在有限单元法已成为分析复杂结构的强有力的工具和广泛使用的数值方法的今天，人们已不满足精度越来越高的确定性有限元计算，而设法用这一强有力的工具去研究工程实践中存在的大量不确定问题。随机有限元法（Stochastic FEM）,也称概率有限元法（Probabilistic FEM）正是随机分析理论与有限元方法相结合的产物，是在传统的有限元方法的基础上发展起来的随机的数值分析方法。 最初是Monte-Carlo法与有限元法直接结合，形成独特的统计有限元方法。Astill和Shinozuka（1972）首先将Monte-Carlo法引入结构的随机有限元法分析。该法通过在计算机上产生的样本函数来模拟系统的随机输入量的概率特征，并对于每个给定的样本点，对系统进行确定性的有限元分析，从而得到系统的随机响应的概率特征。由于是直接建立在大量确定性有限元计算的基础上，计算量极大，不适用于大型结构，而且最初的直接Monte-Carlo法还不是真正意义上的随机有限元法。但与随后的摄动随机有限元法（PSFEM）相比，当样本容量足够大时，Monte-Carlo有限元法的结果更可靠也更精确。 结构系统的随机分析一般可分为两大类：一类是统计方法，另一类是非统计方法。因此，随机有限元法同样也有统计逼近和非统计逼近两种类型。前者通过样本试验收集原始的数据资料，运用概率和统计理论进行分析和整理，然后作出科学推断。这里，样本试验和数据处理的工作量很大，随着计算机的普及和发展，数值模拟法，如蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟，已成为最常用的统计逼近法。后者从本质上来说是利用分析工具找出结构系统的（确定的或随机的）输出随机信号与输入随机信号之间的关系，采用随机分析与求解系统控制方程相结合的方法得到输出信号的各阶随机统计量的数字特征（如各阶原点矩或中心矩）。 在20世纪70年代初， Cambou首先采用一次二阶矩方法研究线弹性问题。由于这种方法将随机变量的影响量进行Taylor级数展开，就称之为Taylor展开法随机有限元（TSFEM）。Shinozuka和Astill（1972)分别独立运用摄动技术研究了随机系统的特征值问题。随后，Handa（1975）等人在考虑随机变量波动性时采用一阶和二阶摄动技术，并将这种摄动法随机有限元成功地应用于框架结构分析。Vanmarcke等人（1983）提出随机场的局部平均理论，并将它引入随机有限元。局部平均理论是用随机场函数在每一个离散单元上的局部平均的随机变量来代表该单元的统计量的近似理论。Liu W. K.等人（1986、1988）的系列工作，提供了一种“主模态”技术，运用随机变量的特征正交化方法，将满秩的协方差矩阵变换为对角矩阵，减少计算工作量，对摄动随机有限元法的发展做出贡献，此外，提出了一个随机变分原理。 Yamazaki和Shinozuka(1987)创造性地将算子的Neumann级数展开式引入随机有限元的列式工作。从本质上讲，Neumann级数展开方法也是一类正则的小参数摄动方法，正定的随机刚度矩阵和微小的随机扰动量是两个基本要求，这两个基本要求保证了摄动解的正则性和收敛性，其优点在于摄动形式较简单并可以得到近似解的高阶统计量。Shinozuka等人（1987）将随机场函数的Monte-Carlo模拟与随机刚度矩阵的Neumann级数展开式结合,得到具有较好计算精度和效率的一类Neumann随机有限元列式（称NSFEM）。Benaroya等（1988）指出，将出现以随机变分原理为基础的随机有限元法来逐渐取代以摄动法为基础的随机有限元法。Spanos和Ghanem等人（1989，1991）结合随机场函数的Karhuen-Loeve展式和Galerkin（迦辽金）射影方法建立了相应的随机有限元列式，并撰写了随机有限元法领域的第一本专著《随机有限元谱方法》。 国内对随机有限元的研究起步较晚。吴世伟等人（1988）提出随机有限元的直接偏微分法及相应的可靠度计算方法。陈虬、刘先斌等人（1989、1991）提出一种新的随机场离散模型，建立了等参局部平均单元，并基于变分原理研究了一类随机有限元法的收敛性和误差界。 Papadrakakis(1995)采用预处理共轭梯度法给出了空间框架的非线性随机有限元列式。Schorling和Bucher(1996)基于Monte-Carlo技术，采用响应面法研究几何非线性时的可靠度随机有限元方法。刘宁（1996）则基于偏微分法，给出了三维弹塑性随机有限元列式。随机有限元法的数学理论研究和非线性随机问题的有限元分析工作还有待深入。 自20世纪8