飞机结构可靠性设计

1、飞机结构可靠性设计，王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所，介绍了，人们对客观世界物质的认识，总是逐渐从确定性值向不确定性分布转移。结构工程中不确定性的研究也随着概率及数学统计和概率过程理论的日益完善和数学领域新兴学科的发展，变得越来越深入和广泛。随着现代科学技术的不断发展，飞机结构系统等大型工程结构系统越来越庞大、复杂，各种不确定性的迹象越来越明显。在实际结构可靠性工程中，随机、模糊、不知道，但边界等各种不确定性信息得到了广泛的传播，提出了可靠性问题，正是由于这些不确定性的存在。随着对产品质量的要求日益提高，稳定性逐渐成为科学和工程中非常重要的概念。可靠性的定义，产品，系统在规定的条件下，在

2、规定的时间内完成规定功能的能力称为可靠性。此处的产品可以复盖所有系统、设备和组件。产品可靠性定义的要素是三个“法规”:“法规条款”、“法规时间”和“法规功能”。“法规条件”包括使用时的环境条件和工作条件。例如，同一型号的汽车在高速公路和崎岖的山路上行驶，其可靠性没有太大差别，因此，要论产品的可靠性，必须明确规定的条件是什么。“规定时间”是指产品中规定的工作时间。随着产品工作时间的增加，产品出现故障的可能性增加，产品的可靠性降低。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的工作时间。例如，一辆汽车比刚开工厂用了5年的时间出故障的可能性要大得多。“功能法规”是指产品必须规定的功能和相应的技术指标。要求的产品

3、功能量及其技术指标的高低直接影响产品可靠性指标的高低。例如，电风扇的主要功能是与前叶摇头确定时间。那么，根据是否只需要三种或全叶吹风，可信赖性指标有很大的变化。可靠性的重要性，调查结果(例如，一家公司的营销部门2001年的调查记录):“对可靠性的重视与地区的经济发展度成正比。”例如，British tele communication(BT)在可靠性管理/指标方面需要产品寿命、平均无故障时间(MTBF)报告、可靠性方块图、故障树分析(FTA)、可靠性测试计划和测试报告。泰国只有MTBF和平均寿命(MTTF)的要求。厄瓜多尔没有对环境适应性和安全性提出要求。可靠性的重要性，产品的可靠性很重要，这

4、不仅影响生产公司的未来，还影响用户的安全(前苏联“联盟11”飞船返回时，压力阀已经提前打开，因此3名宇航员全部死亡)。可靠性好的产品不仅可以减少公司的维修费用，而且很快就可以通过提出品牌来大幅提高公司的形象，增加公司的收益。可靠性指标，衡量产品可靠性水平的几个标准，定量和定性，有时还用几个标准(指标)衡量一个产品的可靠性，但最基本最常用的几个标准是：1.可靠性r(t)；产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的概率。产品展开数从n，t=0开始使用，随着时间的推移，无效产品部件数逐渐增加，正常工作的产品部件数n(t)逐渐减少，在任意时间点，产品的可靠性以R(t)表示。可靠性指标，2 .可靠性寿

5、命Cr(tr)；这使得通常理解的寿命和意义不同，概念也不同，产品的可靠性设置为R(t)，可靠性等于规定值R的时间tr(即定义为可靠寿命)。低效率(失败率)(t)；产品(零件)工作到时间t后，在单位时间t内发生失败的概率。，可靠性指数，4 .有效寿命和平均寿命；使用寿命通常表示产品使用后达到一定效率水平之前的工作时间。平均寿命MTTF是不可修复产品从开始使用到过期的工作时间的平均值。对于可维修产品，这是除整体使用阶段和维修时间之外的后续市场细分有效工作时间的平均值。可靠性指标，5 .平均无故障工作时间MTBF；表示两个相邻意外事件之间的平均工作时间，也称为平均意外事件间隔。仅适用于可服务产品。在

6、总使用阶段，产品的累计工作时间与故障时间之比为MTBF。有效性、维护、平均维修时间等其他方面也是衡量产品可靠性水平的标准。主要指标，1 .平均故障间隔时间；可维修产品，可靠性的主要参数是平均时间平均故障(MTBF)。也就是平均故障间隔时间，即两次维修之间的平均时间。使用平均故障时间(Mttf)的不可服务产品；这两个参数的计算没有差异，下面仅提到MTBF。MTBF越大，表示产品的可靠性越高。主要指标，使用以下理想测试部署产品的MTBF能够准确地测试；部署产品完全失败后(第一个产品的故障时间为t1，第二个产品的故障时间为T2，第n个产品的故障时间为TN)，使用以下公式计算该部署中产品的使用时间：重

7、点指标，2，低效率另一个一般参数是。这表示产品在t点失败的可能性，=1/mtbf。根据产品种类的不同，产品的低效率(即低效率是时间的函数)也不同，对于电子产品，低效率遵循浴缸曲线分布(如下图所示):知道主要指标、主要指标、后，就可以确定产品继续工作的t时间，一般概率为R(t)=e- t，一般概率为R(t)=e-tR(t)=e- t是基于此指数分布的经验公式；在进行结构可靠性研究现状、结构不扩散率集可靠性及其应用研究王晓军、7.1结构概率可靠性设计的基本概念、7.1.1安全裕度方程、结构要素可靠性分析评估时，需要建立组件设计变量和组件能力表征的分析关系。这类似于实际分析设计的工程破坏标准，但可靠

8、性分析基于随机变量的分析。此概率类型是连接设计变量和结构元素固有性能特性的“破坏准则”，通常称为零部件的安全裕度表达式或破坏曲面表达式。以下是结合结构元件的工程设计问题，说明了各种形式的安全裕度方程。在讨论结构零部件的静态强度可靠性时，最初只能考虑两个随机变量：零部件的强度和零部件的内力。元件的强度由于材料的强度性质、元件大小等不确定性而成为随机性。很明显，元件的内力是随机变量，因为工作负载的随机性、元件大小和元件在结构系统中的位置等不确定性。如果元件可以承载，则安全毛利方程式，可靠承载元件的概率可靠性，元件不能承载，即元件的失败度，图7.1 (a)安全边界和安全区域，(b)强度和内力的概率密

9、度函数分布，以上安全毛利(边界)在这种情况下，可靠性概率很容易计算。结构元件的疲劳强度可靠性也可以表示为安全裕度形式，不同之处在于必须以元件的疲劳强度进行解析。理解为循环交变载荷。与静态强度问题的区别很大。结构元素疲劳损伤累积的安全裕度方程可以表示为、样式的、材料的临界损伤阈值是随机变量，因为材料缠绕、热处理的诸多不确定性相关。在特定载荷谱下，不发生结构元素疲劳破坏的可靠性概率与I型裂纹结构元素剩余强度的安全余力，是表达式的应力强度因子，与许多随机因素相关，例如零部件的几何组成、裂纹形态和长度、外部载荷的作用形式和位置。平面变形破坏韧性是与元件几何、材料的基本属性、负载作用条件等随机元素相关的

10、材料条件常数。通过仔细分析上述三类问题的安全裕度方程，可以直接获得这些变量的概率分布特性，表明，以剩余强度表征的裂纹结构元素的损伤容限安全裕度的可靠性不难计算。但是，这些变量的概率分布特征是庞大的数据、数据统计、很多变量需要直接测量转换，而不是直接测量转换，因此必须清楚地表达影响这些变量的多个因素。另一方面，在上述三类问题中，安全裕度函数不包含设计变量，因此，这些问题的可靠性设计意义不明确。因此，需要找到更复杂的安全裕度表达式，该表达式可以包含更多需要考虑的设计变量，从而导致更一般的非线性安全裕度函数。7.1.2应力-强度干涉模型、应力-强度干涉模型是可靠性分析的重要数学基础，为两个独立概率变

11、量已知概率分布下可靠性概率计算提供了理论依据。当然，实际应用不限于两种随机变量：应力和强度。将图7.1(b)中的干扰区域放大到图7.2。需要指出的是，通过概率论知识，大于应力的结构元素强度的可靠性概率是图7.2和分布的干涉区域放大图，应力-强度干涉模型揭示了概率设计的本质。正如干涉模型所示，从统计数学的角度来看，所有设计通常都有失败的可能性。即，可靠性小于1，设计为将失败概率限制在可接受的限度内。在一般设计的安全系数方法中，这些概念不明确。可靠性设计的这一重要特征客观地反映了产品设计和运行的实际情况，同时定量地提出了产品使用时的失败概率或可靠性，得到了关注和发展。7.1.3可靠性指数，应力-强

12、度两个变量都是独立正态分布的情况下，对可靠性概率计算问题使用变量替代，可以将可靠性概率转换为标准正态分布的积分：很多文献将自下而上积分上限定义为强度，应力两个随机变量的平均值和方差的可靠性指标。在分析线性安全裕度方程时，可以看到可靠性指标与可靠性失败概率一样，根据正态分布的可靠性概率表征。非线性安全裕度，如果变量不遵循正态分布，则可以将非线性安全裕度从设计检查点扩展为近似线性，并将非正态分布变量转换为正态分布变量。因此，可靠性指标在可靠性分析中具有重要的现实意义。表7.1列出了一些一般数据，以便对与的关系有一个粗略的概念。，表7.1，关系的典型值，7.1.4可靠性和安全系数，7.2结构概率可靠

13、性分析方法概述，7.2.1结构构件的概率可靠性分析方法，1。中心点方法，2。检查点方法(H-L方法)，a)随机变量为正态分布，b)随机变量为非正态情况，7.2.2结构系统的概率可靠性分析方法，1 .结构系统的模拟，(1)模拟的必要性和基本假设，(2)结构元素的模拟，(3)基本系统，(2)。串行系统的概率可靠性，(1)串行系统的故障概率，(2)串行系统的故障概率近似，(3)。并行系统的概率可靠性，(1)并行系统的故障概率，(2)并行系统的故障概率近似，(4)。分支边界方法简介，(3)分支限制的概念，a分支、b边界，(4)分支限制的基本阶段，图7.11分支限制的流程图，7.3结构可靠性设计概述，1

14、 .结构元素的可靠性设计，2 .结构系统可靠性设计的原理方法，3 .结构系统的可靠性设计评价，7.4结构的非概率可靠性分析，7.4.1结构构件的非概率可靠性分析方法，结构非概率可靠性研究现状，结构非概率集合可靠性和应用研究王晓军，elish akoff-区间安全因素模型Ben-Haim鲁棒可靠性模型Guo shuxiang 结构非概率集可靠性和应用研究王晓军，本-海姆稳健的可靠性模型，结构非概率可靠性研究现状，郭树祥区间可靠性模型，结构非概率集可靠性和应用研究王晓军，结构非概率可靠性研究现状，曹洪军基于三集理论的结构非概率可靠性理论，图7.15应力-强度干涉的标准化空间图，图7.16临界状态图

15、7.17非线性结构功能函数，7.4.2结构系统的非概率可靠性分析方法，1非概率集可靠性测量的分支边界方法，大型复合结构系统，许多故障模式。 把它们全部列出来，综合这些故障的模式，结构系统的可靠性计算相当困难，需要很长时间。学习随机结构系统可靠性分析的分支极限法，可以确定发生概率相对较高的故障模式(即主要故障模式)。本文提出的基于非概率集可靠性度量的分支极限法与基于概率可靠性度量的分支极限法的关系和区别在于两者都是分析不确定性对结构安全的影响，但是两者都使用边界集描述不确定性，而后者则是用概率变量测量不确定性的方式以不同的方式描述组件可靠性。图7.18基于非概率集合可靠性测量的分支极限法流程图，

16、2数值计算示例，图7.19 14条形平面桁架结构系统，7.5翼颤振非概率可靠性分析，机翼颤振是由于机翼的弹性、惯性力及动力的相互作用而产生的一种自振。机翼颤振临界风速是衡量机翼颤振稳定性的重要指标。在机翼设计阶段，通过风洞测试或理论计算，可以估算机翼的临界颤振速度。但是，机翼刚度和质量分布必须在一定的假设下进行。因此，应使用地面振动试验测量的机翼固有振动频率、模式和阻尼作为颤振分析的基础。近年来，对机翼设计进行了更多的颤振分析。实际上，对于相同模型的机翼布局，是基于相同的设计图纸构建的，但是由于可选材料机械特性的偏差，零件加工的公差和装配过程的差异等原因，机翼的结构刚度和惯性分布存在一些不确定性。由于这些因素，机翼的气动稳定性也不确定。目前处理不确定性的方法有三种：概率分析方法、模糊分析方法和集合论凸方法。但是实际上，结构样品测试数据往往不足，往往很难获得不确定性信息的统计数据，但更容易确定