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改进随机森林−蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用

李雪剑 秦斌 肖艺峰 付泽坤

李雪剑, 秦斌, 肖艺峰, 等. 改进随机森林−蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 147–153, 165 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02181
引用本文: 李雪剑, 秦斌, 肖艺峰, 等. 改进随机森林−蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用[J]. 中国舰船研究, 2022, 17(1): 147–153, 165 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02181
LI X J, QIN B, XIAO Y F, et al. An improved random forest-Monte Carlo method and application for structural reliability analysis of A-type independent liquid tank support structure[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 147–153, 165 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02181
Citation: LI X J, QIN B, XIAO Y F, et al. An improved random forest-Monte Carlo method and application for structural reliability analysis of A-type independent liquid tank support structure[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2022, 17(1): 147–153, 165 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02181

改进随机森林−蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02181
详细信息
    作者简介:

    李雪剑,男,1992年生,硕士,工程师

    秦斌,男,1989年生,工程师

    肖艺峰,男,1995年生,助理工程师

    付泽坤,男,1993年生,助理工程师

    通信作者:

    李雪剑

  • 中图分类号: U661.42

An improved random forest-Monte Carlo method and application for structural reliability analysis of A-type independent liquid tank support structure

知识共享许可协议
改进随机森林−蒙特卡罗法在A型液舱支座结构可靠性分析中的应用李雪剑,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  随着液化天然气(LNG)船舶结构研究和设计深度的提高,需要有能够快速和准确地评估不确定性因素的可靠性分析方法。为此,提出基于改进随机森林−蒙特卡罗(RF-MC)法来解决A型独立液舱支座结构失效概率的计算问题。  方法  首先,根据不确定性因素的概率分布,使用MC法生成样本集;然后,以局部离群因子为准则,筛选出失效面附近的样本点,再对筛选出的样本点进行有限元计算后添加至训练集,通过重复训练随机森林近似模型,直至满足精度要求;最后,使用近似模型判别样本点是否失效,结合MC法计算结构的失效概率。  结果  综合考虑算法的准确率、复杂度和效率并结合算例1和2,可以发现在分析可靠性问题时改进RF-MC法比MC和BP-MC等方法具有更大优势。算例3的应用结果表明了改进RF-MC法在A型独立液舱支座结构可靠性分析中的适用性。  结论  研究结果可为LNG船舶的优化设计提供可行的技术方案。
  • 图  随机森林模型原理

    Figure  1.  Principle of RF model

    图  改进RF-MC方法流程

    Figure  2.  Workflow of improved RF-MC method

    图  离群点数量随$k$值变化曲线

    Figure  3.  The number of outliers varying with k-value

    图  十杆形桁架结构

    Figure  4.  Crossbar truss structure

    图  MC法计算结果

    Figure  5.  Calculation result of MC method

    图  有限元计算模型

    Figure  6.  Finite element model

    表  算例1计算结果

    Table  1.  Calculation results of Case 1

    方法失效概率$ {P}_{\mathrm{f}} $相对误差$/\text{%}$样本数量
    MC$ \text{2.85}\times {10}^{-5} $$ \text{5}\times {10}^{7} $
    BP-MC$ \text{3.22}\times {10}^{-5} $$ 12.98 $$ 124 $
    改进RF-MC$ \text{3.1}\text{5}\times {10}^{-5} $$ 4.91 $$ 124 $
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    表  基本随机变量统计特征值

    Table  2.  Statistical characteristic values of basic random variable

    随机变量$ /{\mathrm{c}\mathrm{m}}^{2} $均值$ \mu $标准差$ \sigma $分布类型
    $ {A}_{1} $83.878.387正态
    $ {A}_{2} $12.901.290正态
    $ {A}_{3} $58.065.806正态
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    表  算例2计算结果

    Table  3.  Calculation results of Case 2

    方法失效概率$ {P}_{\mathrm{f}} $相对误差$ /\text{%} $样本数量
    MC$\text{0.176}\;\text{40}$$ {10}^{5} $
    改进RF-MC$\text{0.179}\;\text{85}$$ 1.96 $$ 200 $
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    表  A型液舱支座结构的设计变量分布

    Table  4.  Design variables distribution of A-type liquid tank support

    类别编号变量参数1参数2分布类型
    支座结构支反力$ {X}_{1} $$ f_1/\mathrm{N} $$ 5.24\times {10}^{6} $$ 5.31\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{2} $$ f_1/\mathrm{N} $$ 4.72\times {10}^{6} $$ 4.86\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{3} $$ f_2/\mathrm{N} $$ 2.57\times {10}^{6} $$ 2.59\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{4} $$ f_2/\mathrm{N} $$ 2.74\times {10}^{6} $$ 2.76\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{5} $$ f_2/\mathrm{N} $$ 1.94\times {10}^{6} $$ 2.02\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{6} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 2.09\times {10}^{6} $$ 2.13\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{7} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 1.98\times {10}^{6} $$ 2.07\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{8} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 2.36\times {10}^{6} $$ 2.43\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{9} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 2.81\times {10}^{6} $$ 2.83\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{10} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 3.97\times {10}^{6} $$ 3.99\times {10}^{6} $均匀分布
    $ {X}_{11} $$ f_3/\mathrm{N} $$ 4.87\times {10}^{6} $$ 4.91\times {10}^{6} $均匀分布
    板材厚度$ {X}_{12} $$ d_1/\mathrm{m}\mathrm{m} $141.4正态分布
    $ {X}_{13} $$ d_1/\mathrm{m}\mathrm{m} $121.2正态分布
    $ {X}_{14} $$ d_2/\mathrm{m}\mathrm{m} $181.8正态分布
    $ {X}_{15} $$ d_3/\mathrm{m}\mathrm{m} $181.8正态分布
    $ {X}_{16} $$ d_4/\mathrm{m}\mathrm{m} $111.1正态分布
    $ {X}_{17} $$ d_4/\mathrm{m}\mathrm{m} $111.1正态分布
    $ {X}_{18} $$ d_5/\mathrm{m}\mathrm{m} $181.8正态分布
    $ {X}_{19} $$ d_6/\mathrm{m}\mathrm{m} $141.4正态分布
    纵骨尺寸$ {X}_{20} $$ d_7/\mathrm{m}\mathrm{m} $121.2正态分布
    $ {X}_{21} $$ d_8/\mathrm{m}\mathrm{m} $121.2正态分布
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    表  算例3计算结果

    Table  5.  Calculation results of Case 3

    方法失效概率$ {P}_{\mathrm{f}} $相对误差$ /\text{%} $样本数量
    MC$ {2.53\times 10}^{-2} $$ {10}^{5} $
    改进RF-MC$ \text{2.46}{\times 10}^{-2} $$ 2.77 $$ 250 $
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-13
  • 修回日期:  2021-01-15
  • 网络出版日期:  2022-01-28
  • 刊出日期:  2022-03-02

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