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1、2020 6 15 1 第七章故障树分析FaultTreeAnalysis 2020 6 15 2 内容提要 概述故障树的基本概念定义目的 特点FTA工作要求常用事件 逻辑门符号故障树分析定性分析定量分析重要度分析故障树的简化 2020 6 15 3 概述 切尔诺贝利核泄露事故 美国的挑战者号升空后爆炸和印度的博帕尔化学物质泄露 FMECA 单因素分析法 只能分析单个故障模式对系统的影响 FTA可分析多种故障因素 硬件 软件 环境 人为因素等 的组合对系统的影响 FMECA和FTA是工程中最有效的故障分析方法 FMECA是FTA的基础 各工程领域广泛应用 核工业 航空 航天 机械 电子 兵器
2、船舶 化工等 2020 6 15 4 泰坦尼克海难 海难后果 船体钢材不适应海水低温环境 造成船体裂纹 观察员 驾驶员失误 造成船体与冰山相撞 船上的救生设备不足 使大多数落水者被冻死 距其仅20海里的California号无线电通讯设备处于关闭状态 无法收到求救信号 不能及时救援 顶事件 逻辑门 中间事件 底事件 2020 6 15 5 电机故障树 2020 6 15 6 基本概念 故障树定义故障树指用以表明产品哪些组成部分的故障或外界事件或它们的组合将导致产品发生一种给定故障的逻辑图 故障树是一种逻辑因果关系图 构图的元素是事件和逻辑门事件用来描述系统和元 部件故障的状态逻辑门把事件联系起
3、来 表示事件之间的逻辑关系 2020 6 15 7 基本概念 故障树分析 FTA 通过对可能造成产品故障的硬件 软件 环境 人为因素进行分析 画出故障树 从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和 或 其发生概率 定性分析定量分析 2020 6 15 8 FTA目的 目的帮助判明可能发生的故障模式和原因 发现可靠性和安全性薄弱环节 采取改进措施 以提高产品可靠性和安全性 计算故障发生概率 发生重大故障或事故后 FTA是故障调查的一种有效手段 可以系统而全面地分析事故原因 为故障 归零 提供支持 指导故障诊断 改进使用和维修方案等 2020 6 15 9 FTA特点 特点是一种自上而下的图形演绎方
4、法 有很大的灵活性 综合性 硬件 软件 环境 人素等 主要用于安全性分析 2020 6 15 10 FTA工作要求 在产品研制早期就应进行FTA 以便早发现问题并进行改进 随设计工作进展 FTA应不断补充 修改 完善 谁设计 谁分析 故障树应由设计人员在FMEA基础上建立 可靠性专业人员协助 指导 并由有关人员审查 以保证故障树逻辑关系的正确性 应与FMEA工作相结合应通过FMEA找出影响安全及任务成功的关键故障模式 即I II类严酷度的故障模式 作为顶事件 建立故障树进行多因素分析 找出各种故障模式组合 为改进设计提供依据 2020 6 15 11 FTA工作要求 FTA输出的设计改进措施
5、必须落实到图纸和有关技术文件中应采用计算机辅助进行FTA由于故障树定性 定量分析工作量十分庞大 因此建立故障树后 应采用计算机辅助进行分析 以提高其精度和效率 2020 6 15 12 故障树常用事件符号 2020 6 15 13 故障树常用事件符号 A 2020 6 15 14 故障树常用逻辑门符号 2020 6 15 15 故障树常用逻辑门符号 2020 6 15 16 故障树常用逻辑门符号 2020 6 15 17 故障树常用逻辑门符号 2020 6 15 18 故障树示例 2020 6 15 19 故障树分析 建树步骤广泛收集并分析系统及其故障的有关资料 选择顶事件 建造故障树 简化故
6、障树 分析步骤建立故障树 故障树定性分析故障树定量分析重要度分析分析结论 薄弱环节确定改进措施 2020 6 15 20 故障树定性分析 目的寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合 最小割集 发现潜在的故障发现设计的薄弱环节 以便改进设计指导故障诊断 改进使用和维修方案割集 最小割集概念割集 故障树中一些底事件的集合 当这些底事件同时发生时 顶事件必然发生 最小割集 若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集了 这样的割集就是最小割集 2020 6 15 21 最小割集的意义 最小割集对降低复杂系统潜在事故风险具有重大意义如果能使每个最小割集中至少有一个底事件恒不发生 发生概率极低 则顶事
7、件就恒不发生 发生概率极低 系统潜在事故的发生概率降至最低消除可靠性关键系统中的一阶最小割集 可消除单点故障可靠性关键系统不允许有单点故障 方法之一就是设计时进行故障树分析 找出一阶最小割集 在其所在的层次或更高的层次增加 与门 并使 与门 尽可能接近顶事件 2020 6 15 22 最小割集的意义 最小割集可以指导系统的故障诊断和维修如果系统某一故障模式发生了 则一定是该系统中与其对应的某一个最小割集中的全部底事件全部发生了 进行维修时 如果只修复某个故障部件 虽然能够使系统恢复功能 但其可靠性水平还远未恢复 根据最小割集的概念 只有修复同一最小割集中的所有部件故障 才能恢复系统可靠性 安全
8、性设计水平 2020 6 15 23 故障树定性分析 示例根据与 或门的性质和割集的定义 可方便找出该故障树的割集是 X1 X2 X3 X1 X2 X3 X2 X1 X1 X3 根据与 或门的性质和割集的定义 可方便找出该故障树的最小割集是 X1 X2 X3 最小割集求解方法常用的有下行法与上行法两种 2020 6 15 24 下行法求最小割集的步骤 从顶事件开始往下逐级进行逻辑与门增加割集的容量逻辑或门增加割集的个数遇到与门就把与门下面的所有输入事件均排列于同一行遇到或门就把门下面的所有输入事件均排列成一列依此类推 直到不能分解为止 这样得到的基本事件集合是割集 但不一定是最小割集 2020
9、 6 15 25 找出最小割集的方法 让每一个底事件依此对应一个素数 把每个割集也对应一个数 它是割集中底事件对应的素数的乘积 经排列后可得到一串由小到大排列的数列为割集总数 把这些数依次相除 如果被能整除 则不是最小割集 2020 6 15 26 下行法求解最小割集 故障树 2020 6 15 27 上行法 其特点是由下而上进行 每一步都利用集合运算规则进行简化仍以刚才的古樟树为例 2020 6 15 28 2020 6 15 29 最小割集比较 根据最小割集含底事件数目 阶数 排序 在各个底事件发生概率比较小 且相互差别不大的条件下 可按以下原则对最小割集进行比较 阶数越小的最小割集越重要
10、在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要在最小割集阶数相同的条件下 在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要 2020 6 15 30 故障树定量分析 假设独立性 底事件之间相互独立 两态性 元 部件和系统只有正常和故障两种状态指数分布 元 部件和系统寿命故障树的数学描述结构函数典型逻辑门的结构函数结构函数示例单调关联系统典型逻辑门的概率计算顶事件发生概率计算 2020 6 15 31 故障树结构函数 故障树的数学描述 故障树结构函数 表示系统状态布尔函数 2020 6 15 32 典型逻辑门的结构函数 2020 6 15 33 结构函数示例 2020 6 15 34
11、结构函数示例 2020 6 15 35 单调关联系统 定义指系统中任一组成单元的状态由正常 故障 转为故障 正常 不会使系统的状态由故障 正常 转为正常 故障 的系统 性质系统中的每一个元 部件对系统可靠性都有一定影响 只是影响程度不同 系统中所有元 部件故障 正常 系统一定故障 正常 系统中故障元 部件的修复不会使系统由正常转为故障 正常元 部件故障不会使系统由故障转为正常 单调关联系统的可靠性不会比由相同元 部件构成的串联系统坏 也不会比由相同元 部件构成的并联系统好 2020 6 15 36 典型逻辑门的概率计算 2020 6 15 37 顶事件概率计算 最小割集之间不相交最小割集之间相
12、交全概率法直接化法递推化法近似算法示例1示例2 2020 6 15 38 最小割集之间不相交 2020 6 15 39 全概率法 2020 6 15 40 直接化法 2020 6 15 41 递推化法 2020 6 15 42 近似算法 一阶近似 二阶近似 2020 6 15 43 近似算法计算示例 故障树 最小割集 x1 x4 x7 x5 x7 x3 x6 x8 一阶近似算法 2020 6 15 44 顶事件概率计算示例 二阶近似算法 2020 6 15 45 示例2 2020 6 15 46 示例2 直接化法 2020 6 15 47 示例2 递推化法 2020 6 15 48 重要度分析
13、 重要度的概念定义底事件或最小割集对顶事件发生的贡献目的确定薄弱环节和改进设计方案重要度分类概率重要度结构重要度 2020 6 15 49 概率重要度 概率重要度概念第i个部件不可靠度的变化引起系统不可靠度变化的程度 用数学公式表达为 概率重要度 元 部件不可靠度 顶事件发生概率 系统不可靠度 2020 6 15 50 概率重要度 概率重要度示例已知 1 0 001 h 2 0 002 h 3 0 003 h 试求当t 100h时各部件的概率重要度 结构重要度和关键重要度 解 2020 6 15 51 结构重要度 结构重要度概念元 部件在系统中所处位置的重要程度 与元 部件本身故障概率毫无关系
14、 其数学表达式为 第i个元 部件的结构重要度 系统所含元 部件的数量 两种状态 2020 6 15 52 结构重要度 结构重要度示例求解如图所示故障树中的底事件结构重要度解 二个部件 共有23 1 4种状态 2020 6 15 53 故障树的简化 故障树的逻辑简化 2020 6 15 54 故障树的简化 2020 6 15 55 故障树的模块分解 割顶点法示例 2020 6 15 56 故障树的早期不交化 当重复事件多时 无法应用模块分解法 早期不交化可有效地消除重复事件 规则是遇到与门 其输入 输出均不变 遇到或门 对输入不交化 2020 6 15 57 故障树示例 求解最小割集 顶事件概率
15、计算算例 故障树示例 2020 6 15 58 可靠性设计的主要内容 第一章 1 可靠性的概念2 可靠性的尺度及其含义3 可靠度和失效率之间的关系4 浴盆曲线5 可靠性设计与传统设计之间的区别第二章 了解常用的各种分布第三章 了解分布参数的估计和分布函数的假设检验 2020 6 15 59 第四章 1 应力强度干涉模型2 干涉理论及其相应的推论3 一般可靠度的表达式4 应力和强度分布的确定方法5 已知应力和强度分布情况下可靠度的表达式 联结方程 6 数值积分法 图解法和蒙特卡罗模拟方法求解可靠度的基本原理和步骤7 变差系数的概念及其应用 2020 6 15 60 第五章 1 传统意义下的安全系数与可靠性意义下的安全系数之间的异同2 静强度可靠性设计的基本步骤第六章 1 结构图与可靠性逻辑图之间的区别2 系统可靠性预测的基本方法3 系统可靠性分配的基本方法第七章 1 故障树的基本概念 2020 6 15 61 2 事件以及逻辑门符号3 割集与最小割集的概念4 故障树定性分析方法 上行和下行 5 故障树定量分析方法 2020 6 15 62 谢谢
