可靠性与系统工程--研究文献综述报告

学位论文研究文献综述报告（2011版）工程领域：系统安全与可靠性工程研究方向：液压机械装置可靠性研究学生姓名：指导教师：完成日期：2012-3-311英文摘要和关键词摘要：自20世纪20年代以来，结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。许多国家开始研究在结构设计规范中的应用。本文从结构可靠性基本理论和方法、结构体系可靠度、结构可靠度的Monte-Carlo模拟方法、结构承载能力与正常使用极限状态可靠度等方面，分三部分对结构可靠性理论和应用国内外研究的现状进行了概括性总结。分析了工程结构可靠性理论的发展现状，介绍了结构可靠性设计的发展趋势，从而对可靠性技术在机械领域的应用和发展有一个全面的、客观的认识。关键词：工程结构可靠性理论发展Abstract：Greatprogresshasbeenachievedintheresearchofstructuralreliabilitytheoriesanditsapplicationssince1920s.Manycountriesintheworldhavestartedtryingtorevisestructuraldesigncodesorspecificationbasedonreliabilitytheory.Inthisarticlewecandividethetheoryintothefollowingaspects:thefundamentaltheoriesandapproachesofstructuralreliability,structuralsystemreliability,Monte-Carlomodelinginstructuralreliabilityanalysis,aultimateandserviceabilitylimitstatereliability.Theseaspectsarediscussedinthreeparts.Thepaperanalysesthecurrentandfuturedevelopmentofprojectstructurereliabilitytheory,andthusgetsacomprehensiveandobjectiveunderstandingoftheapplicationanddevelopmentofthereliabilitytheoryinthemechanicalfield.Keyword：structuralreliability,reliabilitytheory,development2研究方向阅读文献的概述由于论文选题的方向为液压机械装置可靠性设计研究方向，所以文献检索主要针对机械产品可靠性方面，应用检索的主题词为：机械可靠性设计，机械可靠性分析、结构可靠性综述等，检索到各种有关机械可靠性文献数量大约18篇。其中包括中文文献约15篇、英文文献约3篇。3所述研究方向国内外的研究现状、最新研究成果及发展趋势3.1国内外研究现状产品的质量与可靠性问题很早就已为人们所关注，但是作为一门学科，专业进行这一领域的研究还是近50年开展起来的。早在热、二次世界大战期间，许多机械电子产品常常在战争的使用过程中出现故障，致使丧失了使用能力，如美国空军由于飞行故障而损失的飞机达两万架，是在战争中被击落的飞机的1.5倍。于是，为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国军方及工业界有组织地开展了可靠性研究。在这期间，具有影响的是1952年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组（AGREE）。1955年A-GREE开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划，并于1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告。该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程发展的方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。在这10年中，美国先后开发出F-111A、F-15A战斗机、MI坦克、“民兵”导弹、“水星”和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求，因此1957年AGREE报告提出的一整套可靠性设计、试验及管理方法被国防部及国家航空航天局（NASA）接受，在新研制的装备中得到广泛应用并迅速发展，形成了一套较完善的可靠性设计、试验和管理标准，如MIL-HDBK-217、MIL-STD-781和MIL-STD-785。在这些新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定了定量的可靠性要求，进行可靠性分配及预计，开展故障模式及影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA），采用余度设计，开展可靠性鉴定试验，验收试验和老练试验，进行可靠性评审等，使这些装备的可靠性有了大幅度提高。例如，50年代的“先驱者号”卫星发射11次只有3次成功，而60年代发展的阿波罗登月船，除阿波罗13以外，每次发射都成功着陆在月球上并安全返回。在这10年中，美、法、日及前苏联等工业发达国家也相继开展了可靠性研究。20世纪70年代是可靠性发展步入成熟的阶段。在这10年中，尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难，军费紧缩，但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。这一阶段的主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构，负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题；成立全国性的数据交换网，加强政府机构与工业部门之间的技术信息交流；制定了一套较完善的可靠性设计，试验及管理的方法及程序。为解决复杂武器系统投入外场使用后出现的战备完好性低和使用保障费用高的问题，从型号项目论证开始就强调可靠性设计，通过加强元器件控制，采用更严格的降额及热设计，强调环境应力筛选，可靠性增长试验和综合环境应力的可靠性试验，推行可靠性奖罚合同等一系列措施来提高武器装备的可靠性。C20世纪80年代以来，可靠性工程向着更深、更广的方向发展。在发展策略上，把可靠性和维修性作为提高武器装备战斗力的重要工具，使可靠性置于与武器装备性能、费用和进度同等重要的地位；在管理上，加强集中统一管理，强调可靠性及维修性管理应当制度化，为此美国国防部于1980年首次颁发可靠性及维修性指令5000.40《可靠性及维修性》；在技术上，深入开展软件可靠性、机械可靠性以及光电器件可靠性和微电子器件可靠性等的研究，全面推广计算机辅助设计（CAD）技术在可靠性领域的应用，积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。产品的可靠性越来越受到人们的重视，随着研究的深入，越来越多的新方法应用到机械的可靠性设计中，使人们生产出来的产品可靠性越来越强，满足了社会的生产发展需要。图1反映了机械可靠性设计的发展历程。图1可靠性的发展历程我国的可靠性工作起始于20世纪50年代末期，起步并不晚。1959年建成亚热带亚热带研究所，但是有三四年的时间就夭折了。由于众所周知的原因，在60年代可靠性工程在我国还是一片空白。70年代我国的可靠性工作是从引进国外标准资料开始的，1976年颁布了第一个可靠性标准SJ1044—76《可靠性名词术语》，1979年颁布第一个国家标准GB1977—79《电子元器件失效率试验方法》，可靠性工程应用于电子、航天、电力、机械、仪表等部门取得不同程度的进展。80年代，我国的各种可靠性机构学术团体想雨后春笋，迅速发展。随着中国的改革开放和经济发展，在20世纪70年代后期，从解决国家重点工程元器件的可靠性问题开始，在军工和民用产品的可靠性研究有了飞速的提高。特别是我国加入WTO之后，经济要与国际接轨，企业产品参与国际市场的竞争，进入国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。用户不仅要求产品性能好，更重要的是要其产品可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。美国人曾预言：今后只有那些具有高可靠性指标的产品及企业，才能在日益剧烈的国际贸易竞争中幸存下来。3.2最新研究成果3.2.1工程结构可靠性理论及其应用结构体系可靠度：(1)结构主要失效模式的搜寻。分析结构体系的可靠度，首先要寻找结构可能会出现的各种失效模式。在各种失效模式中只有失效概率值较大的一部分对结构体系的失效概率有明显的贡献，称为主要失效模式。其他的则可以忽略掉，所以分析中只考虑这些主要的失效模式即可。在这种情况下，寻找结构失效模式的过程也就变为搜寻主要失效模式的过程。在找到结构主要的失效模式后，再应用多个失效模式的可靠度计算方法分析结构体系的可靠度。因此一般而言，结构体系可靠度的分析包括寻找主要失效模式和概率计算两部分，而在寻找主要失效模式的过程中也要伴随着大量的概率计算。目前已提出多种寻找结构主要失效模式的方法如网络搜索法、荷载增量法、分支约界法、约界法、截止枚举法、线性规划法及许多其它改进的方法，其中应用较多的是分支约界法。当前寻找结构主要失效模式方法的研究目前仍在进行之中。(2)结构体系失效概率的计算：计算结构体系失效概率无论是并联体系还是串联体系都可归结为计算多维正态概率分布函数值的问题。多维正态概率分布函数是根据由一次二阶矩方法确定的每一个失效模式的可靠指标，及全部失效模式间的线性相关系数建立的。此外有的文献通过在线性化的多维极限状态方程中引入一个新的正态随机变量，将并联体系可靠度问题转化为一个极限状态方程的构件可靠度问题，这时的极限状态方程一般呈高度非线性要用二次二阶矩方法进行求解。也有其他的求解方法及考虑多个功能函数非线性的二次算法。结构可靠度的Monte-Carlo模拟方法：Monte-Carlo方法是通过随机模拟来对自然界的客观现象进行研究的一种方法。Monte-Carlo方法可以用来分析确定性问题，也可以用来分析不确定性问题。由于结构可靠度所研究的是不确定性事件的度量问题，因此用Monte-Carlo方法分析结构的可靠度是很自然的。除用于一些复杂情况的可靠度分析外，也常用于各种可靠度近似分析方法计算结果的校核。用Monte-Carlo方法分析问题首先要产生随机数，然后再根据随机变量的概率分布进行随机抽样。以往产生随机数常用的方法有随机数表法、物理方法。目前则常采用基于数论原理的计算机方法，所得随机数称为伪随机数，其最大特点是产生速度快具有可重复性。结构疲劳可靠度：就承载能力极限状态而言结构有两种失效形式。一种是首次超越失效即在设计基准期内，结构的荷载效应只要有一次(自然是第一次)超过结构的抗力，结构就会破坏。另一种是累积损伤失效，即结构的破坏是由于荷载的反复作用使结构的损伤累积到一定程度而引起的。结构承载能力和正常使用极限状态可靠度：(1)承载能力极限状态可靠度。进行概率极限状态设计，首先遇到的是安全标准问题，即设计中应该取多大的可靠度才是合适的。结构安全标准的设置涉及到经济、社会、文化、公众心理和风险分析等多个方面。具体的分析方法有对比法、经济优化法和校准法。目前国际上实际应用的安全标准确定方法基本都是校准法。校准法是通过对现行设计规范下的结构进行可靠度分析，经综合调整来确定未来结构设计(目标)可靠度的。其特点是，对不同破坏后果（经济损失或社会影响）的结构及不同破坏性质（如延性破坏和脆性破坏）的构件采用不同的可靠度水平，但在总体上基本保持新旧规范可靠度水平的一致性。(2)正常使用极限状态可靠度：在结构设计中除了要保证结构在极端载荷下的安全性外，还要保证结构在正常使用载荷下具有必要的使用功能即满足适应性要求，相应的极限状态为正常使用极限状态。按统一标准的规定正常使用极限状态的分析包括变形、局部损坏和振动等。尽管超过正常使用极限状态不会造成结构灾难性的破坏和损失但会严重影响结构的正常使用。3.2.2一次二阶矩法按照现行结构可靠度设计统一标准的定义结构可靠度为结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。结构可靠性理论的研究,起源于对结构设计、施工和使用过程中存