工程结构数值模拟的模型验证与确认方法研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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工程结构数值模拟的模型验证与确认方法研究

项目名称：工程结构数值模拟的模型验证与确认方法研究
项目类别：联合基金项目
批准号：10876100
申请代码：A06
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2009-01-01-2012-12-31

项目负责人：莫军
负责人职称：研究员
依托单位：中国工程物理研究院总体工程研究所
批准年度：2008

中文摘要：

数值模拟在现代工程领域已得到广泛应用，但人们常对其置信度心存疑虑，特别是无全系统试验结果时复杂工程结构数值模拟的预测置信度如何量化并没有解决。模型验证与确认是严格量化复杂数值模拟置信度的系统方法，美国三大实验室已开展了相关研究，但很难见到具体方法的介绍。本项目拟从大型工程结构的复杂性出发，系统地开展模型验证与确认基本框架、实用方法和工程应用的研究。即根据系统分层和不确定性量化的预测置信度评估基本思路，建立分层模型验证与确认基本框架；通过对代码验证、计算验证、确认实验、确认计算、确认比较和预测置信度评估等各环节的深入研究，形成具体的实用方法；针对典型工程实例，在各层次上设计并开展一系列与计算紧密配合的实验（需进行统计实验设计），在量化二者不确定性的基础上，推断全系统预测的置信度。本项目的研究将为复杂工程结构数值模拟的预测置信度评估探索具体的实现途径，这有利于从根本上提升数值模拟的地位。

中文主题词：验证；确认；不确定性；分层；置信度

英文摘要：

Verification；Validation；Uncertainty；Hierarchical；Credibility

英文主题词： Verification；Validation；Uncertainty；Hierarchical；Credibility

结论摘要：

模型验证与确认（V&V）是评估复杂建模与模拟有效性的系统方法，发源于系统仿真界，20世纪90年代中后期进入新的发展阶段，希望直接量化缺乏全系统试验情形模型预测结果的置信度。目前，无论在国外还是国内，现代模型V&V都还处在发展初期。本项目以复杂工程结构数值模拟为背景，在国内率先系统开展现代模型V&V基本框架、实用方法和工程应用研究，希望推动其发展和成熟。本项目已完成预定研究内容，基本实现了研究目标，取得的主要成果有（1）方法学和数学框架系统总结了现代模型V&V的基本思想和主要特点，比较了与仿真界VV&A的异同，深化了认识；对其数学框架进行了分类和比较，研究了经典概率框架，扩展了贝叶斯模型确认框架，初步建立了基于区间分析的模型确认框架。（2）模型V&V实用方法结合数学算例/工程实例，全面掌握和应用了模型验证和确认各环节的常用方法；重点发展了面向目标误差估计、高斯过程响应面模型以及基于概率/非概率理论的不确定性量化、传播与确认实用方法，并开发了工具包。主要包括1）将面向目标误差估计方法应用于结构线性静力学和动力学（时域）有限元分析，实现了离散误差点估计和区间估计，并将其成功推广到频域直接有限元法和二维、三维扩展有限元法，拓展了其应用范围；2）系统研究了高斯过程响应面法及其在模型确认中的应用，建议了技术细节处理方法，提出了一种设计点选择方法，简化了贝叶斯参数校准过程，提出了一种高效的自适应多输出高斯过程响应面模型，增强了实用性；3）改进了支持向量机方法，基于支持向量机和分层实验设计，发展了一种输入、输出不确定性分离、量化和非线性系统辨识方法，可用于含不确定性的复杂实验数据处理；4）发展了一种“点对点”不确定性参数统计建模方法，提出了一种新的定量确认准则，与代理模型和蒙卡抽样结合，可以快速实现参数不确定性辨识/量化、传播、确认和预测，在多个结构动力学算例中成功应用；5）以区间理论为主，系统发展了非概率不确定性量化、传播、确认与预测实用方法或快速算法，并在若干工程结构中应用，推动了非概率方法走向成熟。上述研究成果深化了对现代模型V&V方法学的认识，发展了其数学框架和实用方法，推动了模型V&V走向工程应用，这对于提高数值模拟对决策的支撑作用、提升我国重大装备与工程的研发能力具有重要基础性意义。

成果综合统计