結(jié)構(gòu)／機構(gòu)的可靠性分析與設(shè)計是一門古老而又年輕的學(xué)科，其發(fā)展最早源自于人們意識到影響結(jié)構(gòu)／機構(gòu)系統(tǒng)性能的因素是不完全可控的，這種不可控的影響因素導(dǎo)致了系統(tǒng)性能的不確定性。為了掌握不確定性因素影響下的系統(tǒng)性能，就有必要發(fā)展一種不可控、不確定性因素影響下結(jié)構(gòu)／機構(gòu)性能的分析與設(shè)計方法，于是結(jié)構(gòu)／機構(gòu)可靠性學(xué)科便逐漸發(fā)展了起來。近年來，隨著工業(yè)技術(shù)和管理科學(xué)的發(fā)展，可靠性被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，其理論體系得到了不斷的完善，內(nèi)涵日漸豐富，并且現(xiàn)代計算機軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展也為可靠性學(xué)科注入了新的活力。
　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)／機構(gòu)可靠性分析與設(shè)計方法中一般采用隨機性來描述不可控的不確定性因素，以概率密度來量化這種隨機不確定性，其中可靠性分析的主要任務(wù)是將影響結(jié)構(gòu)／機構(gòu)性能的輸入變量的隨機不確定性傳遞給輸出性能，以便掌握輸出性能的取值規(guī)律，因而可以得出的結(jié)論是：可靠性分析就是將輸入不確定性傳遞給輸出并得到輸出性能不確定性的過程，這種傳遞依賴于輸出性能與輸入變量之間的確定性關(guān)系。
　　關(guān)于可靠性分析主要任務(wù)中的這種不確定性的傳遞分析，最基本的傳遞就是依據(jù)輸出和輸入的關(guān)系將輸入變量的隨機不確定性的統(tǒng)計矩信息傳遞給輸出性能，得到輸出的統(tǒng)計矩信息，從而部分掌握輸出性能的取值規(guī)律，并利用概率統(tǒng)計的基本理論由輸出的統(tǒng)計矩近似得到結(jié)構(gòu)／機構(gòu)系統(tǒng)性能滿足規(guī)定要求的安全概率。在可靠性分析理論中，最先發(fā)展的就是這種統(tǒng)計矩傳遞方法，包括一次二階矩方法、二次二階矩方法以及基于各種點估計的矩方法等。統(tǒng)計矩屬于隨機不確定性的局部統(tǒng)計特征，由輸出性能的局部統(tǒng)計特征得到的安全概率或者是失效概率在很多情況（諸如高度非線性、高維變量、小失效概率等）下是不準(zhǔn)確的，于是又發(fā)展了各種數(shù)字模擬方法來解決可靠性分析問題。
　　數(shù)字模擬可靠性分析方法中最基礎(chǔ)的方法就是蒙特卡羅模擬法（Monte Carlo Simula-tion，MCS）。MCS的理論基礎(chǔ)是大數(shù)定律，它利用失效事件的頻率來近似失效事件的概率，這種近似解會隨樣本數(shù)的增加而逐漸收斂于真值。MCS的顯著優(yōu)點是理論基礎(chǔ)牢固，思路簡單，編程容易，求解難度與變量的分布形式、維度以及極限狀態(tài)方程的形式無關(guān)等，MCS的主要缺點是對小概率事件的計算量大。針對MCS方法的缺點又發(fā)展了收斂速度更高的數(shù)字模擬方法，最主要的是重要抽樣法。重要抽樣法由于選取了使估計值方差更小的重要抽樣密度函數(shù)，從而大大降低了相同樣本數(shù)下估計值的方差，提高了MCS的計算效率。針對工程中常見的高維輸入變量的問題，發(fā)展了更高效的數(shù)字模擬方法，包括子集模擬、線抽樣和方向抽樣等。其中子集模擬的主要特點是將稀有事件的小概率等價轉(zhuǎn)換成一系列較大的條件概率的乘積，并利用馬爾可夫鏈Monte Carlo法來抽取條件樣本以高效計算轉(zhuǎn)換后的條件概率，而線抽樣和方向抽樣則是利用降維的思想來提高高維小失效概率可靠性分析問題的效率。
　　雖然各種矩傳遞方法和數(shù)字模擬法的效率和精度在不斷提高，但仍然無法滿足工程中復(fù)雜隱式極限狀態(tài)方程問題的計算效率要求，于是又促使可靠性研究人員發(fā)展了可靠性分析的代理模型法。代理模型法的基本思想就是希望通過少量的計算來建立一個在概率上能夠近似原問題中隱式極限狀態(tài)方程的顯式代理模型，從而極大地減少可靠性分析的計算量�？煽啃苑治鲋械拇�理模型包括響應(yīng)面法、支持向量機及Kriging模型等，隨著如今機器學(xué)習(xí)算法的不斷完善和提高，代理模型在可靠性分析中的應(yīng)用研究也越來越廣泛，并且也使得可靠性分析逐步能夠真正地應(yīng)用于工程中復(fù)雜隱式極限狀態(tài)方程的問題。
　　本書主要介紹可靠性分析和設(shè)計的一些基本理論，包括靜態(tài)／時變可靠性和可靠性靈敏度分析方法、基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計方法和基于穩(wěn)健性的優(yōu)化設(shè)計方法等。書中針對每一種理論方法都有相應(yīng)的算例驗證，并附有詳細(xì)的算法流程和算法程序，以便學(xué)習(xí)各種理論后進行相應(yīng)的練習(xí)，加深對理論知識的理解。為了便于每一章的閱讀，本書基本上是每章自成一體的，因此會出現(xiàn)一些不同章節(jié)中共同基礎(chǔ)部分的少量重復(fù)。
　　本書共13章，寫作分工如下：第1，2，10，11，13章由呂震宙執(zhí)筆，第3，4章由王燕萍執(zhí)筆，第5，6，7章由宋述芳執(zhí)筆，第8，9，12章由李璐祎執(zhí)筆。全書由呂震宙教授統(tǒng)稿并定稿。
　　筆者特別要感謝國家自然科學(xué)基金（ 51475370，51775439）和西北工業(yè)大學(xué)“雙一流”研究生核心課程建設(shè)項目的資助，感謝本書編寫過程中員婉瑩、成凱、馮凱旋、凌春燕、肖思男等研究生的辛勤勞動。寫作本書曾參閱了相關(guān)文獻、資料，在此，謹(jǐn)向其作者深致謝忱。
　　盡管在編寫過程中盡心盡力，但由于筆者能力所限，錯誤或不當(dāng)之處懇請讀者批評指正。