结构可靠性分析

结构可靠性分析,第一章绪论,1.1引言工程结构工程结构的设计步骤结构设计计算的两个方面,一.工程结构的定义,工业与民用建筑公路,铁路(桥梁,隧道等)水利工程(三峡大坝)舰船，飞机等,二工程结构的设计步骤,选择合理的结构方案和型式根据选定的结构型式设计结构或构件的截面,三.结构设计计算的两个方面,如何使结构的力学分析日趋完善如何合理地选择影响结构安全的参数,四结构可靠度发展和研究概况,一结构设计方法的演变古代时期的设计方法容许应力法破损阶段法极限状态法,二）容许应力法,要求结构构件在使用期内，截面上任何一点的应力不得超过某一容许应力值其表达式为：f/K式中：f为结构的材料性能，为安全系数,三）破损阶段法,破损阶段法计算时，主要考虑材料的弹塑性性能以受弯构件为例，例子其一般表达式为：p/K式中：p截面破损时的抵抗弯矩构件强度总安全系数标准荷载作用下的截面弯矩,极限状态法,当时的极限状态法一般设计表达式为：,以概率理论为基础的极限状态设计法按发展阶段和精确程度分为三个水准：,水准半概率法水准近似概率法水准全概率法,5概率设计法,1911卡宾奇提出用统计数学的方法研究载荷及材料强度,19261929霍契阿洛夫和马耶罗夫制定了概率设计的计算方法，但当时提出的方法不够严格，未扶助实践。,1947A.M.Freudenthal和拉尼琴同时开展了结构可靠性的研究工作。发表了“结构安全度”一文奠定了结构可靠性的理论基础。,自50年起随着导弹和空间技术的发展，美国、前苏联、加拿大等国家相继成立了专门组织研究结构可靠性问题，并制定了相应的标准和规范，作为概念设计的依据,1954拉尼琴提出了应力-强度结构可靠性设计的正态-正态模型，并推导用正态分布二阶矩表达的可靠性中心安全系数的一般形式。美国“大力神”导弹壳体设计就采用了这种中心安全系数,国际标准化组织（ISO）给出了结构可靠性总原则，并采用了R.Rackwitz提出的等价正态方法，国际结构安全委员会（JCSS）也推广了这一方法,我国的结构可靠性研究工作始于50年代。现在已建立了相应的可靠性组织。非电子零部件可靠性数据建筑结构设计统一标准,船舶与海洋工程结构可靠性的发展,1）1972Mansour&Faulkner发表多篇文章提出运用统计理论于船舶结构设计中,2）Mansour（1974、1984），WhiteandAyyub（1985）发表文章提出船体总纵弯曲强度可靠性理论,3）1978诸多研究者发表多篇论文讨论关于船体与海洋工程结构可靠性的相关问题，主要集中在以下几个方面：,a）环境载荷的分析计算与统计模型的建立；b）结构细部的疲劳问题；c）船体梁的强度模型和失效模型的建立。,一工程结构的功能,在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用在正常使用时具有良好的工作性能在正常维护下具有足够的耐久性能在设计规定的偶然事件发生时及发生后,仍能保持必须的整体稳定性,1.2工程结构可靠性概念,二.设计使用年限,表1.1设计使用年限分类类别设计使用年限1.临时性结构52.易于替换的结构构件253.普通房屋和构筑件504.纪念性建筑和特别重要的建筑结构100,三.规定的条件（与可靠性相关的另一个方面）,指与结构所处的外部环境条件，诸如：外力、温度、振动、冲击及周围介质等,结构可靠性:结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力.结构可靠度:结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的概率.,可靠性包括:安全性,适用性,耐久性,可维修性和可储存性及其组合,四、结构可靠性的概念,五.失效的概念,失效的性质:突然失效和渐变失效失效发生的时间:早期失效,偶然失效和耗损失效失效存在的时间:恒定失效,间歇失效和运行紊乱失效失效的完备性:系统失效,完全失效和部分失效结构系统各部件之间的联系:独立失效和从属失效,以失效方式对可靠性进行命名:设计可靠性,制造可靠性,使用可靠性,人的”可靠性”和人-机系统可靠性,参数可靠性结构出现的某种极限状态:强度可靠性,刚度可靠性,稳定性可靠性,疲劳强度可靠性,耐久强度可靠性,蠕变可靠性,声强度可靠性,密封性可靠性等,五.可靠性的种类,1.3极限状态和极限状态方程,一.极限状态的定义和分类整个结构或结构的一部分超过某一特定状态,就不能满足设计规范所要求的某一项功能要求,此特定状态称为该功能的极限状态,规定:承载能力极限状态正常使用极限状态,二.承载能力极限状态,整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡结构构件或连接因为超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏),或因为过度的变形而不适合于继续承载结构转变为机动体系结构或者结构构件丧失稳定地基丧失承载能力而破坏(如失稳),三.正常使用极限状态,影响正常使用或外观的变形影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包括裂缝)影响正常使用的振动变形影响正常使用的其他特定状态,四.偶然状况的处理,采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计:1.允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏,但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度2.按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施,使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力,五.计算可靠度的两种基本方法,1、数学模型法2、物理原因法数学模型法：设想可靠性的变化遵从某些由实验确定的统计规律。向两个方向发展，一个是和时间有关，另外一个事和偶然因素有关。缺点：没有阐明失效产生的原因，并且也没有指出消除失效的可能性。（电子系统和机电系中应用广泛）物理原因法：第一种是应力-强度模型法，第二中是把可靠度定义为随机过程或随机场不超出规定任务水平的概率，引入系统空间，系统状态允许域，系统随时间变化的轨迹，。,（1）结构强度为一非负随机变量或随机过程，用R或R（t）表示（2）应力为一非负随机变量或随机过程，用S或S（t）表示（3）当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠的，否则，被认为结构失效-故障或破坏（4）结构失效仅由于应力作用而发生（5）计算应力和强度的一切力学公式仍然适用，但公式中的确定量均视为随机变量或随机过程,六.结构可靠性的基本假设,七.应力-强度可靠性计算模型的三种基本形式,（1）应力-强度随机变量模型（准静态模型）（2）应力-强度半随机过程模型（3）应力-强度全随机过程模型。,八.极限状态方程,极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式它可用下式表示:Z=g(X1,X2,.,XN)=0(1-1)式中：i（i=1,2.）为基本变量=g(.)称为结构的功能函数或功效函数,例一个只有两个基本变量的线性问题，对于承载能力极限状态，若令为结构抗力，为作用综合效应，则极限状态方程（）可写为：g(R,S)=R-S=0(1-2)若，结构处于可靠状态若，结构处于极限状态若，结构处于失效状态,九.结构可靠性分析的过程,确定与结构有关的随机变量的分布概率及有关统计量,这些随机变量大致可分为三类:a.外来作用b.材料的机械性质c.构件的几何尺度及其在整个结构中的位置2)计算构件的载荷效应,确定结构构件的能力3)计算评价结构可靠性的各种指标,总结,工程结构的概念和设计的两方面问题工程结构可靠性概念极限状态和极限状态方程,1.写出工程结构可靠性和可靠度的概念,2.写出横截面积为A的轴向受拉杆件的极限状态和极限状态方程（以杆件横面上的正应力值达到塑性应力为失效状态，所考虑的变量分别为取E、s）,第二章工程概率和数理统计基础,2.1概率论的基本概念一)随机现象在个别实验中呈现出不确定性,在大量重复实验中,又具有统计规律性,这样的一类现象称为随机现象.,二)随机实验和概率1.可以在相同的条件下重复的进行2.每次实验的可能结果不止一个,可能事先会知道所有可能结果3.进行实验之前,不能确定哪个结果会出现.,随机实验的例题E1:抛一枚硬币,观察出现正面H,反面T的情况E2:掷一颗骰子,观察出现的点数E3:在一批II级钢筋中,任意抽取试样并测试其抗拉强度E4:记录某地某时的风速E5:一口袋中装有红白二色乒乓球,从袋子中任取一球的观察颜色E6:将一枚硬币抛两次,观察出现正面,反面的情况,几个基本概念1.随机事件:在一个随机实验中,它的每一个可能出现的结果都为一个随机事件2.基本事件:所有可以直接发生的事件,即最简单的随机事件3.复合事件:由基本事件复合而成的事件另有:必然事件,不可能事件,2.样本空间:S,E的所有基本事件所组成的集合叫做E的样本空间SE=E的基本事件样本点S1:H,TS2:123456S3:f|afb-?S4:v|cfd-?S5:红色,白色S6:(H,H),(H,T),(T,H),(T,T),3.事件之间的关系和运算,另有:若:E中的基本事件有有限个,或可列无限个,则E中的任何一个事件均可表示为若干个基本事件的