机械系统可靠性分析

1北京航空航天大学工程系统工程系机械可靠性设计分析（第九部分）张建国2第七章机械系统可靠性分析™7.1可靠性工程方法在机械产品中应用‡7.1.1制定可靠性设计准则‡7.1.2故障模式影响分析（FMEA）‡7.1.3故障故障树分析（FTA）‡7.1.4机械产品的可靠性试验‡7.1.5机械产品的失效机理研究™7.2结构系统可靠性分析与优化设计‡7.2.1结构系统可靠性基本概念；‡7.2.2主要失效模式的识别方法；‡7.2.3系统失效概率计算方法；‡7.2.4复杂系统多学科可靠性优化方法37.1可靠性工程方法在机械产品中应用™7.1.1制定可靠性设计准则‡根据以往的工程实践经验为基础制定可靠性设计准则并指导机械产品的可靠性设计。‡把长期积累的有关影响产品可靠性的措施或经验条理化、规范化‡结合故障模式分析等提出适于某机械产品的可靠性设计准则，供产品研制设计时使用。‡注意与机械产品的功能、性能紧密结合。4™7.1.2故障模式影响分析（FMEA）‡注重故障模式分析，以防止故障出现为设计宗旨。‡通过对故障模式、故障机理的研究，采用改进措施，防止故障的发生，使设计的产品的可靠性得到提高以满足任务要求。‡进行故障模式分析的主要手段是FMEA（CA）z根据产品寿命周期各阶段的FMEA（CA）结果，找出主要的故障模式、影响整个产品可靠性的重要件和关键件以及改进措施。z通过改进措施的落实提高机械产品的可靠性7.1可靠性工程方法在机械产品中应用5™7.1.3故障故障树分析（FTA）‡在机械系统设计中，运用演绎的方法逐级分析，寻找导致系统正常工作的重大故障的各种可能原因，并通过逻辑关系的分析确定潜在的设计缺陷，以便采取措施，促进系统可靠性的提高。7.1可靠性工程方法在机械产品中应用6™7.1.4机械产品的可靠性试验‡在产品研制过程中重视可靠性试验对保证产品可靠性的作用。‡机械产品工作环境非常复杂，试验很难模拟真实的环境和应力。因此必要时需进行现场可靠性试验，或收集使用现场的失效信息。‡复杂机械系统体积大、成本高等原因不能进行可靠性试验，可采用较低层次（部件、组件或零件）的可靠性试验，然后综合试验结果、应力分析结果和类似产品的可靠性数据及产品现场使用的情况，对其可靠性进行综合评价。‡利用小子样可靠性试验方法，可以节约实验成本。7.1可靠性工程方法在机械产品中应用7™7.1.5机械产品的失效机理研究‡注重失效模式分析和失效机理的研究。‡失效机理的分析涉及系统分析、结构分析、材料物理分析、测试分析，以及有关疲劳、断裂、腐蚀、磨损等各学科知识。‡用无损探伤检验、机械性能试验、断口的宏观和微观检查分析、金相检查分析和化学分析等手段，对失效件进行失效机理分析。‡用强度、疲劳、断裂等力学分析方法对失效件进行分析计算。‡在以上分析基础上确定摸清机械系统的主要失效原因和机理，以进行合理的可靠性设计优化，满足任务要求。7.1可靠性工程方法在机械产品中应用87.2结构系统可靠性分析与优化设计‡7.2.1结构系统可靠性基本概念；‡7.2.2主要失效模式的识别方法；‡1）约界法‡2）载荷增量法‡3）网络搜索法‡4）截止枚举法‡5）线性规划法‡6）其他改进算法‡7.2.3系统失效概率计算方法；‡1）工程上独立假设的近似求解‡2）考虑相关性的计算方法‡3）结构系统可靠性的仿真计算‡7.2.4复杂系统多学科可靠性优化方法97.2.1结构系统可靠性基本概念结构系统可靠性与机械系统可靠性的差别10™结构系统：指若干单元组成的承受外部作用力并具有特定功能的整体，在它的各个元件之间存在相互作用和相互依存的关系。™结构系统可靠性：指结构系统在规定的时间内，规定的条件下完成规定功能的能力。结构系统可靠性基本概念11™结构系统比结构元件可靠性分析具有复杂性，原因有以下几点：‡随机变量之间存在相关问题；‡必须确定结构系统的失效模式及其中的主要失效模式；‡要计算主要失效模式的可靠度；‡整个结构系统可靠性的计算必须综合各主要失效模式。结构系统可靠性基本概念127.2.2主要失效模式的识别方法™系统失效模式识别需要解决的问题：‡对于一个复杂的结构系统，采取什麽样的办法来寻找其失效模式所对应的失效路径；‡采取什麽样的策略在众多的失效模式中，确认对结构系统失效概率有决定性贡献的那些主要失效模式。实践证明，结构系统失效概率主要由为数不多的主要失效模式决定。‡如果不加任何限制，通过简单枚举法，便可生成完整的失效树集合，但这在算法中必然导致组合爆炸。‡结构系统主要失效模式识别的关键，在于能否建立合理的约界准则与约界算法。13主要失效模式的识别方法™1）约界法‡结构系统可靠度分析的核心内容有2项：1）是识别系统的主要失效模式；2）是对结构系统的失效概率进行计算，对于前者，如何快速、准确地生成系统失效树的主干和主枝是至关重要的。‡对于非串联随机结构系统而言，可能的失效路径有很多，可能的失效状态转移路径不止1条，这便会出现分枝现象。如果每1个分枝节点都考虑所有的分枝可能，则生成的失效树集合应是完整的，然而对于复杂结构系统而言，枚举完整的失效树集合几乎是不可能的。‡一定要通过有效的算法将那些不太可能发生的失效路径及时删除，这一限制分枝规模扩大的操作即为约界，相应的算法称为约界法。显然，约界的目的是快速、准确地识别失效树的主干和主枝。14主要失效模式的识别方法约界法包括：‡β约界法；‡修正β约界法1；‡修正β约界法2；‡联合β约界法；‡全局β约界法。15主要失效模式的识别方法™2）载荷增量法‡基本思路：i）第一个增量载荷是让结构系统的外载荷P从零增加到ΔP1，用ΔP1表示第一个增量载荷。当外载荷P从零增加到ΔP1时，结构系统内达到极限状态的第一个元件内力等于强度，其他元件的内力小于强度，或者说这个元件的内力强度比（承力比）等于1，而其他元件的内力强度比小于1。16主要失效模式的识别方法ii）第二个增量载荷ΔP2，代表结构在原有ΔP1的基础上再增加ΔP2，此时总的外载荷增加到ΔP1+ΔP2，当外载荷达到ΔP1+ΔP2时，结构系统内达到极限状态的第二个元件，即在ΔP1+ΔP2的外载荷作用下，这个元件的承力比等于1，而其他元件的承力比小于1。iii）继续加增量载荷ΔP3，ΔP4，…，直到ΔPn引起结构系统失效而形成一失效模式为止。17主要失效模式的识别方法‡载荷增量法的原则i）承力比及承力比变化比最大准则可以描述为：定义约界参数、承力比变化比，则满足：的单元将有资格成为该阶段的失效候选单元。ii）采用和当前失效单元相关的增量加载方式实现结构的状态改变，并由此进入失效历程的下一个阶段。iii）通过分析结构系统的失效演化历程，可求得系统的一系列主要失效模式。()kkrλ()()max[]kkkkrkrcλλ(01)kkcc≤18主要失效模式的识别方法™3）网络搜索法‡采用故障树分析方法，借助于网络搜索技术识别结构系统的主要失效模式，并通过概率网络评估方法综合地给出结构系统的失效概率。19主要失效模式的识别方法™网络搜索法的优点‡能够将本领域专家的经验知识和逻辑判断能力融入系统分析程序，能够考虑人为的、自然力等外部因素的作用。‡因该法属于演绎法，所以便于使用具有推理机制的编程语言建模。‡通过不断更新知识数据库，完善推力机制，优化搜索策略，即使在原有模型框架下，也可以使所建造的专家系统一直保持较高的水准。‡由于此法通常是沿着故障树由根到枝的顺序进行的，因而便于进行总结性分析，由此得出的结论是非局域性的。20主要失效模式的识别方法™网络搜索法的不足‡采用此法编制的结构可靠性分析程序实际运行时，往往需要太多的搜索运算，因而，建造1种适用的结构可靠性分析与设计一体化系统或分系统的难度相当大。一般认为，此法更适用于机电设备和工程结构的功能分析和风险预测。21主要失效模式的识别方法™4）截止枚举法‡20世纪80年代初，Melchers和Tang共同提出了识别结构系统失效概率的截止枚举法。‡认为在截止参数选择得当的前提下，该方法能够识别出结构系统的所有主要失效模式。但是截止参数的选择却需要一定的经验基础和数学基础。22主要失效模式的识别方法™5）线性规划法‡线性规划法是基于线性随机规划法的，通过发展线性互补规划中的Lemke算法，并与分枝—约界法相结合，将随机线性互补功能方程比拟为结构功能方程；通过求广义功能方程的射线解，来识别结构的主要失效模式。‡该法既不用进行结构重分析，也无需通过判断结构刚度矩阵的奇异性来识别主要失效模式，计算量相对较小，这对大、中型结构系统的分析是有益的。23主要失效模式的识别方法™6）其他改进算法‡考虑荷载增量的作用与荷载累积量的影响,对失效树分枝有效地约界控制，使约界效率得以改善。œ近年来对主要失效模式的识别方法研究取得了许多进展主要方法列举如表1；œ识别结构系统主要失效模式的方法研究，仍是一个需深入研究的课题。247.2.3结构系统失效概率计算方法1）工程上独立假设的近似求解™静定结构‡凡是由静力平衡条件即可确定元件内力的结构。‡静定结构任意元件失效，结构系统失效，系统的失效分析可以用串联模型。™超静定结构‡如果一个结构，它所要求的未知力超过静力平衡方程式的数目，即仅仅利用静力平衡方程尚不足于求解全部内力，就称为超静定结构。‡超静定结构中，单个元件失效，通常不导致整个结构系统失效。‡当一个元件失效后，内力重新分布，其余元件仍可承受重新分布的内力，当若干元件失效后才失效。‡超静定结构中有很多失效模式，系统的失效分析可用混联模型。252）考虑相关性的计算方法™由于结构系统与单个零件相比比较复杂，各个零件之间、失效模式之间存在广泛相关性。™其相关性包括三个方面：‡一、变量相关的可靠性问题；‡二、模式相关的零件可靠性问题；‡三、零件相关的系统可靠性问题。结构系统失效概率计算方法26结构系统失效概率计算方法™对相关失效结构系统的可靠性分析，通常采取的基本方法有三种。‡一是采用界限法求得系统可靠度的区间；‡二是用统一的平均相关系数代替各失效形式之间的相关系数,求得系统可靠度的近似解；‡三是采用不交化变换得到一组相互统计独立的失效形式，由各自对应的极限状态方程求得系统可靠度的精确解。™然而，在失效形式较多的大型结构系统可靠性分析时,采用以上三种方法通常不能得到满意的效果。27结构系统失效概率计算方法™Ma和Ang于1979年曾提出一种相关失效系统可靠性分析的近似方法—PNET法(probabilitynetworkevaluationtechnique)。™基本思想：用部分失效形式代替系统所有的失效形式，从而快速、便捷地得到系统可靠度的近似解。™在广泛应用于大型冗余结构系统的分支限界法和β分支法中也体现了这一基本思想。™基于这样的基本思想的相关结构系统的可靠性分析，是在给定临界相关系数的基础上，按相关程度把各失效形式分成强相关、弱相关、中相关三类。28结构系统失效概率计算方法™首先采用PNET法的有关原则，对强相关失效形式进行聚类简化，提取出主失效形式，把强相关简化为全相关；™再把各主失效形式分成弱相关和中等相关两类，把所有中等相关失效形式视为一组，求中相关失效形式组的总失效概率；™而每一弱相关失效形式单独成组，把弱相关简化为统计独立；™最后将各失效形式组按相互统计独立计算系统可靠度。29结构系统失效概率计算方法30结构系统失效概率计算方法™结构系统可靠度通常可通过各随机变量的概率密度函数确定，而相关系数可以方便地由概率密度函数定义和计算。™在考虑相关性的结构系统可靠度计算中往往采用相关系数的表达方式。™设结构系统两失效形式gi和gj对应的极限状态方程分别为：31结构系统失效概率计算方法32结构系统失效概率计算方法如图1所示。33结构系统失效概率计算方法™显然，两失效形式gi、gj间的相关系数ρij增大时，Ei和Ej逐渐变为一对等价事件，而等价事件的发生概率显然是相同的，即θij→0，βi→β0，βj→β0(β0介于βi和βj之间)，所以ρij越大，则两失效面的贴合程度也越大，其中某一种失效形式的发生能引发或表征另