结构可靠性分析基础

1 结构可靠性分析基础 航空学院航空结构工程系王生楠二零零七年十一月 2 结构可靠性分析基础授课提纲 第一章绪论 结构的失效第二章常用概率分布及次序量统计第三章统计失效模型第四章可靠性试验中的统计方法第五章基于疲劳安全寿命的可靠性分析第六章估计问题中子样容量的确定第七章强度问题可靠性研究概述第八章影响飞机结构可靠性的主要因素第九章概率断裂力学与概率损伤容限 耐久性专题 3 第一章绪论 可靠性问题的提出与发展可靠性的定义及研究的主要内容结构可靠性研究的内容与特点可靠性的度量 4 可靠性问题的提出与发展 可靠性 衡量产品质量的一个重要指标 定性理解评价定量分析度量 可靠性的研究始于第二次世界大战 电子设备的可靠性问题德国V 2火箭诱导装置50年代初期开始 更多地引入统计方法和概率概念以后 定量的可靠性才得到广泛应用 可靠性问题才作为一门新的学科被系统地加以研究 1950年 美国成立了海陆空三军的 国防部电子设备的可靠性专门工作组 1952年改名为 电子设备可靠性顾问团 AGREE 1957年该组织发表了著名的 军用电子设备的可靠性 报告 成为可靠性研究的奠基性文献 其内容包括九个方面 5 1 确定各种军用电子设备可靠性的最低要求 并根据系统各部件的重要性 技术水平等来分配系统的可靠性 2 建立研制样机的可靠性评估方法 平均无故障工作时间 MTBF 的测量方法及基于指数分布的序贯试验计划 以证明研制样机满足最低的可靠性要求 3 制定试生产及批生产产品的可靠性评估程序和基于指数分布的MTBF寿命试验计划 4 制定电子设备研制程序 以保证研制的设备具有合同所要求的固有可靠性 5 基于失效率 制订电子元部件可靠性的分析方法及准则 6 确定已有的采购及合同的条例与可靠性文件的相容性 提出必要的修改建议 7 确定运输 包装对产品可靠性的影响 提出改进措施 8 确定储存对设备可靠性的影响 提出改进措施 6 美国对于机械可靠性的研究 开始于60年代初期 其发展与航天计划有关 当时在航天方面由于机械故障引起的事故多 损失大 于是美国宇航局 NASA 从1965年起开始进行机械可靠性研究 例如 用超载负荷进行机械产品的可靠性试验验证 在随机动载荷下研究机械结构和零件的可靠性 将预先给定的可靠度目标值直接落实到应力分布和强度分布都随时间变化的机械零件的设计中去 等等 9 确定在使用中如何保持设备固有的设计可靠性水平的方法及程序 日本在1956年从美国引进可靠性技术 1958年日本科学技术联盟设立了可靠性研究委员会 1960年成立了可靠性及质量控制专门小组 1971在日本召开了第一届可靠性学术讨论会 日本将可靠性技术推广应用到民用工业部门取得了很大成功 使其高可靠性产品畅销到全世界 带来巨大的经济效益 7 英国于1962年出版了 可靠性与微电子学 ReliabilityandMicroelectronics 杂志 法国国立通讯研究所也在同一年成立了 可靠性中心 进行数据的收集与分析 并于1963年出版了 可靠性 杂志 前苏联在50年代就开始了对可靠性理论及应用的研究 1964年 当时的苏联及东欧各国在匈牙利召开了第一届可靠性学术会议 至1977年已先后召开了四次这样的会议 国际电子技术委员会 IEC 于1965年设立了可靠性技术委员会 1977年改名为可靠性与维修性技术委员会 它对可靠性方面的定义 用语 书写方法 可靠性管理 数据收集等方面 进行了国际间的协调工作 8 结构体系可靠性 structuralsystemreliability 于60年代中后期才有所研究 至70年代末 80年代才加快发展起来 结构可靠性的另一分支 结构运动部件的可靠性研究 主要包括机构可靠性与可分离连接的可靠性研究 也于70年代很快发展起来 世界各先进工业国家对产品可靠性的研究越来越深入 涉及的范围也越来越广 纷纷建立了研究可靠性的专门机构 制定并逐步修改完善有关产品可靠性管理 可靠性试验 可靠性设计 可靠性预计与评估的大量标准 手册和指南 并积极开展了人为因素对可靠性的影响 软件可靠性及可靠性与维修性相互关系的研究 我国的可靠性研究从60年代已经开始 70年代和80年代得到了很大发展 9 在现代生产中 可靠性研究已经深入到航空航天 核工业 电力工业 船舶 建筑 计算机等各个领域 可靠性技术已贯穿于产品的开发研制 设计 制造 试验 使用 运输 保管及维修保养等各个环节 10 2 可靠性的定义及研究的主要内容 可靠性 产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 1957年 AGREE 1966年 MIL STD 721B 国标GB3187 82 任务可靠性和基本可靠性之分 1980年 MIL STD 785B 国军标GJB450 88 GJB451 90 2 1可靠性的定义 任务可靠性 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力 它反映了产品的执行任务成功的概率 只统计危及任务成功的致命故障 任务剖面 产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述 其中包括任务成功或致命性故障的判断标准 基本可靠性 产品在规定条件下 无故障的持续时间或概率 它包括了全寿命单位的全部故障 反映产品维修人力和后勤保障等要求 产品的可靠性可用可靠度来衡量 可靠度是用概率表示的产品的可靠性程度 显见 可靠度是可靠性的定量表示 11 在可靠性的上述定义中 含有以下因素 对象可靠性问题的研究对象是产品 它是泛指的 可以是元件 组件 零件 部件 机器 设备 甚至整个系统 研究可靠性问题时首先要明确对象 不仅要确定具体的产品 而且还应明确它的内容和性质 如果研究对象是一个系统 则不仅包括硬件 而且也包括软件和人的判断和操作等因素在内 需要以人 机系统的观点去观察和分析问题 使用条件包括运输条件 储存条件 使用时的环境条件 如温度 压力 湿度 载荷 振动 腐蚀 磨损等等 使用方法 维修水平 操作水平等预期的运输 储存及运行条件 对其可靠性都会有很大影响 12 规定时间与可靠性关系非常密切的是关于使用期限的规定 因为可靠度是一个有时间性的定义 对时间性的要求一定要明确 时间可以是区间 0 T 或区间 T1 T2 有时对某些产品给出相对于时间的一些其它指标会更明确 例如里程 距离 周期 次数等等 规定功能要明确产品的规定功能的内容 一般来说 所谓 完成规定功能 是指在规定的使用条件下能维持所规定的正常工作而不失效 或发生故障 指研究对象 产品 能在规定的功能参数下正常运行 应注意 失效 不一定仅仅指产品不能工作 因为有些产品虽然还能工作 但由于其功能参数已漂移到规定界限之外了 即不能按照规定正常工作 也视为 失效 即要弄清该产品的功能是什么 其失效或故障 丧失规定功能 又是怎样定义的 13 概率 可靠度 是可靠性的概率表示 把概念性的可靠性用具体的教学形式 概率表示 这就是可靠性技术发展的出发点 因为用概率来定义可靠度后 对元件 组件 零件 部件 总成 机器 设备 系统等产品的可靠程度的测定 比较 评价 选择等等才有了共同的基础 对产品可靠性方面的质量管理才有了保证 如上所述 讨论产品的可靠性问题时 必须明确对象 使用条件 使用期限 规定的功能等因素 而用概率来度量产品的可靠性时就是产品的可靠度 可靠性定量表示的另一特点是其随机性 因此 广泛采用概率论和数理统计方法来对产品的可靠性进行定量计算 还要注意产品的功能有主次之分 故障也有主次之分 有时次要的故障不影响主要功能 因而也不影响完成主要功能的可靠性 14 2 2可靠性研究的主要内容可靠性研究贯穿于产品的预研 分析 设计 制造 装配 试验 使用和管理等整个过程和一切方面 内容极其丰富 在其发展过程中形成了三个主要领域或三个方面 1 可靠性数学可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础理论之一 它主要是研究与解决各种可靠性问题的数学方法与数学模型 研究可靠性的定量规律 它属于应用数学范畴 涉及到概率论 数理统计 随机过程 运筹学及拓扑学等数学分支 它应用于可靠性的数据收集 数据分析 系统设计及寿命试验等方面 2 可靠性物理可靠性物理又称失效物理 是研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方法与纠正措施的一门可靠性理论 它使可靠性工程从数理统计方法 15 发展到以理化分析为基础的失效分析方法 它是从本质上 从机理方面探究产品的不可靠因素 从而为研制 生产高可靠性产品提供科学的依据 3 可靠性工程可靠性工程是对产品的失效及其发生的概率进行统计 分析 对产品进行可靠性设计 可靠性预测 可靠性试验 可靠性评估 可靠性管理 可靠性检验 可靠性控制 可靠性生产 可靠性维修及失效分析的一门包含了许多工程技术的边缘性工程学科 它是立足于系统工程方法 运用概率论与数理统计等数学工具 属可靠性数学 对产品的可靠性问题进行定量的分析 采用失效分析方法 可靠性物理 和逻辑推理对产品故障进行研究 找出薄弱环节 确定提高产品可靠性的途径 并综合地权衡经济 功能等方面的得失 将产品的可靠性提高到满意的程度的一门学科 16 它包括了对产品可靠性进行工作的全过程 即从对零件 部件和系统等产品的可靠性方面的数据进行收集与分析做起 对失效机理进行研究 在此基础上对产品进行可靠性设计 采用能确保可靠性的制造工艺进行制造 完善质量管理与质量检验以保证产品的可靠性 进行可靠性试验来证实和评估产品的可靠性 以合理的包装和运输方式来保持产品的可靠性 指导用户对产品的正确使用 提供优良的维修保养和社会服务来维持产品的可靠性 即可靠性工程包括了产品可靠性数据的收集与分析 研制 分析设计 生产制造 试验 管理 运输储存 使用维护 信息反馈 设计更改全过程中的可靠性技术工作 是一项真正的系统工程 在可靠性工程中 很重视对现场使用的数据和试验数据的收集与交换 许多国家都有全国性的数据收集与交换组织 建立有各种数据库 因为数据是可靠性设计和可靠性研究的基础 在可靠性工程中 都是通过可靠性数据和信息反馈来改进产品的可靠性 17 3 结构可靠性研究的内容与特点 就结构可靠性分析而言 它包括了主要失效模式的确定 主要影响因素及其统计特性的描述 数学模型的建立及可靠度的计算方法等 是结构可靠性研究的最基本的问题 可靠性研究 电子产品可靠性 非电产品可靠性 机械可靠性 结构可靠性 机构可靠性 可靠性按研究对象的分类 18 机械可靠性的特点 机械产品可靠性与电子产品可靠性相比 具有许多不同的特点 了解分析这些特点 对于开展机械可靠性设计与分析具有重要意义 现将主要特点综述如下 a 电子产品的失效模式比较简单 而机械产品的失效模式比较复杂 b 电子产品使用过程发生的故障主要是由于偶然因素造成的 而机械产品故障原因主要是疲劳 老化 磨损 腐蚀等 因而主要是耗损型故障 c 电子产品的应力易于预计 而机械产品的应力难于准确预计 d 电子产品可以通过筛选等排除早期失效 在经济上是合理和有效的 而机械产品要开展这项工作在经济上通常是十分昂贵和困难的 19 e 电子产品一般都是由标准的电子元器件组成的 而标准的电子元器件的基本失效率一般可看作常数 机械产品的功能零部件多是非标准件 而且一种零部件常常要完成多种功能 使用环境又恶劣 因此 像电子产品一样统计其失效率是很困难的 目前已有的失效率统计模型及手册中的数据都不足以作为机械产品可靠性预计的直接依据 g 机械产品的寿命和可靠性试验一般是小子样的 而且 为了检测耗损型故障模式 所要求的试验时间较长 采用电子产品的可靠性鉴定试验统计方案往往是研制方无法接受和难于实现的 当然很多机械产品寿命分布不服从指数分布 因此 指数分布的统计试验方案也无法使用 f 电子产品推荐的维修主要是以更换元器件为主 而机械产品推荐的维修是修复和更换并重 20 h 电子产品的可靠性数据已经形成了若干手册或文件 而机械产品的可靠性数据还十分缺乏 i 机械产品可靠性要考虑载荷 几何尺寸 材料性能数据等因素的分散性和随机性 涉及很多学科 如力学 摩擦学 电化学等 这无疑给研究机械可靠性带来很大的困难 机械产品的上述特点导致了其可靠性工作与电子产品的可靠性工作之间的差异 现行的可靠性设计 试验 技术与标准的部分内容不能完全适用于机械产品 必须对其进行适当的剪裁 增补和修改 当然 机械产品可靠性与电子产品可靠性的工作目标是一致的 都是要在有限经费和有限时间内 获得使用户尽可能满意的高可靠性产品 可靠性工程的基本原理对机械产品同样适用 其中的许多方法都可直接用于机械产品的可靠性工作 21 4 可靠性的度量 1 破坏 失效 概率按定义 结构寿命的概率分布函数为即是结构寿命不超过的概率 也就是在时刻之前结构的破坏概率 因此 结构寿命的分布函数就是结构破坏概率 而结构寿命的概率密度函数就是结构的破坏 失效 概率密度 22 2 存活率 可靠度 按定义 存活率或可靠度是结构使用到时刻不破坏 不失效 的概率 于是有 3 危险率 失效率 结构破坏概率 失效概率 或存活率 可靠度 都是反映原结构母体中任一结构从开始使用到时为止的整个期间内的安全性或可靠性的高低 为了深入研究结构的安全性或可靠性 有时需要知道 使用到某一时刻未破坏的结构 再继续使用下去时的破坏风险或破坏危险性大小 这就要用所谓的危险率或失效率来表示 描述的是 使用到时刻时未破坏的结构 再继续使用下去 在随后的单位时间内的 23 破坏 失效 概率 即它是结构在时刻以前未破坏的条件下 在时刻的条件破坏概率密度 前面讲的是结构在时刻的无条件破坏概率密度 于是有 与 的关系根据定义 可得 即 上式两端分别对从0到积分 注意 可得 24 用代替上式中的得到 上式两端分别对求导得到 可见 只要知道了危险率 就可确定存活率 可靠度 破坏 失效 概率及破坏概率密度 25 的估计 产品的危险率 失效率 可以根据使用中的实际统计资料来估计 方法原理如下 在