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1、可靠性设计的基本概念与方法4. 6可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念1.可靠性含义可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个 工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因 素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效 时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特 征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠 度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载 荷/环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤， 应
2、保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能 力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的 静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全 寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限 可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定 的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率.可靠性的概率度量除可靠 度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在时刻之前破坏的概率；失效率A() .指在时刻以前未发生破坏的条件下，在时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTT
3、F(MeanTimeToFailure),指从开始 使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、 中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。2.结构可靠性设计的基本过程与特点设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于 产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方 面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。(1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过 程等是它的重要基础。(2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究 对象的失效机理不同，因此不同学
4、科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础 也不同.(3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠 性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交 换等.从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工 程之中。由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也 是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结 构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计 的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失
5、效概率计 算的依据。二是用结构力学的方法计算构件的载荷效应，通过试验和统计获得结构的能力, 从而建立结构的失效准则.三是计算评价结构可靠性的各种指标，当构件或结构系统的失效准则建立以后, 便可根据这些准则，计算评价构件或结构系统的各种可靠性指标，如可靠度、 失效概率等结构可靠性.计技术的发展目前还不尽完善.这是因为可靠性设计必须掌握各 类设计因素的真实概率特性，因而需要有原始资料的积累，需要大量的数据资 源，而它的获取必须来自于大量的可靠性试验.这一工作尚属起步阶段,尚未 形成统一标准的设计规范，但可靠性设计作为一种设计思想在现阶段的结构设 计中已有所体现，如：可靠性设计准则的建立，系统可靠度
6、的分配方法等。目 前的可靠性设计工作多是通过静强刚度设计、安全寿命设计、损伤容限和耐久 性设计等规范获得结构设计结果，再利用可靠性分析方法来评价其可靠性程度, 因此掌握结构可靠性分析评价技术与方法就显得十分重要了，而真正建立起完 整的结构可靠性设计体系尚有待今后工作的积累与发展,但可以预料，任何一 种新的设计思想应当是对旧的设计体系的完善与扬弃，因此由结构可靠性设计思想而产生的各种设计准则、方法在很 大程度上与其他旧设计体系的内容在原则上应是一致的，如：多路传力和多重 元件设计不仅是损伤容限设计的准则之一，这样的结构体系必然可靠度就高，也会成为结构可靠性的设计原则 之一：再例如结构静强度优化设
7、计中的等应力工程准则，在可靠性设计中则表 现为系统中各元件的可靠性指标也应大致相近等。结构可靠性试验是为了分析、验证与定量评价结构可靠性指标而进行的各种试 验的总称.结构可靠星试验的目的是为了获得结构在各种环境下工作时的真实的可靠性指 标，为结构的设计，制造和使用提供资料；同时通过试验可发现结构的薄弱环 节，改进设计参数、制造工艺和使用方法，以提高结构的可靠度。二、结构可靠性分析方法概述L安全余量方程进行结构元件可靠性分析评估时，需要建立起元件设计变量与元件能力表征量 间的分析关系，这类似于确定性分析设计中的工程破坏判据，但可靠性分析是 建立在随机变量的分析基础之上。这个概率型的联系设计变量与
8、结构元件固有 性能表征量间的“破坏判据”，通常称为元件的安全余量方程或破坏面方程。 以下结合结构元件的工程设计问题，举例说明各种形式的安全余量方程。讨论 结构元件的静强度可靠性时，可初步认为只有两个随机变量，即元件的强度只 和元件的内力元件的强度由于材料的强度特性、元件尺寸等不确定因素呈随 机性；而元件所承受的内力由于作用载荷的随机性以及元件尺寸与元件在结构 系统中所处的位置等不确定因素显然是随机变量。如果元件能够承载，则M = K- S 0CL6旧）表示了元件的安全余量，故称为安全余量方程， 可靠度定义为元件能可靠承载的概率，故可表示为%=PR-S 0）元件不能承载，即(4.601)S 0（
9、4.丽）则元件的失效概率可表示为：Pf = F出 - 8 V % = J %“，6Qd）上述的安全余量（边界）方程是线性的（如图4, 53（a）所示），但要求解安全余量 方程的概率 可靠性概率或失效概率）则需要依据方程中各变量的概率分布函数 以及变量间概率分布的干涉特征来确定（如图4. 53（b）。当变量的概率密度函图 4. 53；H丧金山昴与史堂国域f 口强民号内山的微E任命四敢分布数形式简单且具有可和性时，我们可直接通过变量的概率分布获得安全余量的 概率分布，此时可靠性概率的计算就比较容易了.结构元件的疲劳强度可靠性同样可表示为 4. 60式的安全余量形式，只是只应 理解为元件的疲劳强度；
10、s理解为循环交变载荷。当然，这里 R与S的物理随机 性质与载荷概率特性与静强度问题的差别就大相径庭了。结构元件中疲劳损伤累积的安全余量方程可表示为(11)式中，0/ =三之（参见4. 3节），0,则为材料的临界损伤阀值，与材料冷、热 加工中众多不确 =l / A定因素相关，故是随机变量。表示结构元件在一定载荷谱下不发生疲劳破坏的可靠性概率即为含I型裂纹结构元件剩余强度的安全余量可表示为式中，Ki为应力强度因子，与元件的几何构形、裂纹形态与长度、外加载荷的 作用形式及位置等诸多随机因素有关；Klcp为平面应变断裂韧性，是一材料条 件常数，与元件几何、材料基本性能、载荷作用条件等随机因素有关。由剩
11、余强度表征的含裂结构元件损伤容限安全余量的可靠性即为 凡=P(Ki K 4.64)仔细分析上述三类问题的安全余量方程可以发现，如果能够直接获取这些变量 的概率分布特征，安全余量的可靠性并不难计算。但这些变量的概率分布特征 需要大量的资料、数据统计而来，而且许多变量并不是直接可测的，需要直接 测量的转换。这样我们就需要把影响这些变量的诸多因素显式地表达出来。另 一方面，上述三类问题中的安全余量函数不显含设计变量，致使这类问题的可 靠性设计意义降低。因此，我们需要寻找更复杂的安全余量表达式，能够包括 更多需要考虑的设计变量，这就导致了更为一般的非线性安全余量函数。2 .应力一强度干涉模型应力一强度
12、干涉模型是可靠性分析的重要数学基础，给出了两独立概率变量在 任意已知概率分布下的可靠性概率计算理论式。当然，实际应用上并不局限于 应力与强度这两类随机变量。将图4. 53(b)的干涉区域放大，即如图4. 54。由概率论知识，我们可以获得 结构元件强度大于应力的可靠性概率为鹏,|ACr)dr 小干唧大囤图明由 H与八公布的干涉区放大图应当指出应力一强度干涉模型揭示了概率设计的本质。从干涉模型可以看到，就统计数学观点而盲，任何一个设计通常都存在着失效概率，即可靠度小于1,而我们设计能够做到的仅是将失效概率限制在一个可以接受的限度之内，该观 点在常规设计的安全系数法中是不明确的。可靠性设计的这一重要
13、特征客观地反应了产品设计和运行的真实情况，同时还定量地给出了产品在使用中的失效 概率或可靠度，因而受到重视与发展。3 .可靠性指标在研究应力一强度两类变量均为独立正态分布情况下的可靠性概率计算问题中运用变量代换，可使可靠性概率转化为一个对标准正态分布即N（0, ”的积分:11J氏=，-,eoLpf 4力卬）114.我）不少文献将上式的积分上限定义为可靠性指标A,即I=修;修区式中儿丸，,分别为强度、应力两随机变量的均值与方差。失效概率此 时可表小为P/ = 1 .68）由此可以看出，在分析线性安全余量方程且变量间服从正态分布的可靠性概率 时，可靠性指标”与可靠度失效概率一样，可表征可靠性程度。
14、对于非线性安全 余量、变量不服从正态分布的情况，可将非线性安全余量在设计验算点近似展 开成线性关系，井可将非正态分布变量转换成正态分布变量。因此，可靠性指 标在可靠性分析中的实用意义很大。 表4. 8列举一些典型数据，以便对与Pz, R的关系有一个量级的概念.泰48产与关第的典型值00. EL0L62.0Z.S344. 0A（）已0,510,你7弧 1时，并不能保证元件100%安全.3)/1时，并不能肯定元件100%破坏。从计算式中还可看出提高/、减小变异系数vx及ys,均可提高元件的可靠度。经常我们对上例计算中的反问题感兴趣，希望知道如果给定结构元件的可靠性指标，传统的安全系数应取多大合适。由式(4. 69)可反解出1 a，3+1一用5 .复杂问题的可靠性分析方法概述当我们研究多个随机因素集合的可靠性分析
