可靠性设计的基本概念与方法

1、-!4 4 6 6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念1 1可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力； 而一个工 业产品 ( (包括像飞机这样的航空飞行器产品 ) )由于内部元件中固有的不确定因素 以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时 间( (寿命) ) 往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。 一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。 作为飞机结构的可靠性问题， 从定义上讲可以理解为： “结构在规定的使用载荷 环境作用下及规定的时间内， 为防止各种失效或有碍正常工

2、作功能的损伤， 应 保持其必要的强刚度、 抗疲劳断裂以及耐久性能力。 ”可靠度则应是这种能力的 概率度量， 当然具体的内容是相当广泛的。 例如，结构元件或结构系统的静强度 可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率， 结构安全寿命的可 靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率； 结构的损伤容限可靠性则一 方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期 间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率 可靠性的概率度量除可靠度外， 还可有其 他的度量方法或指标，如结构的失效概率 F(c)F(c) ，指结构在时刻之前破坏的概 率；失效率A()().指在时刻以前未发生破坏的条件

3、下，在时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间 MTTF(MeaMTTF(Mea nTimeToFailure)nTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障 的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可 修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。2 2. . 结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品， 其内容是相当丰富的， 应当贯穿于产 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各个方面。 从研究及学科划分上可大致分为三个方面。(1)(1) 可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过

4、程等是它的重要基础。(2)(2) 可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究 对象的失效机理不同， 因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也 不同(3)(3) 可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠 性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换 等从产品的设计到产品退役的整个过程中， 每一步骤都可包含于可靠性工程之 中。由此我们可以看出， 结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节， 当然也是 重要的环节， 从内容上讲， 它包括了结构可靠性分析、 结构可靠性设计和结构可 靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过

5、程大致分为三个阶段。一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料， 并对这些资料用概率统计的 方法进行分析， 确定其分布概率及有关统计量， 以作为可靠度和失效概率计算的 依据。二是用结构力学的方法计算构件的载荷效应，通过试验和统计获得结构的能力， 从而建立结构的失效准则.三是计算评价结构可靠性的各种指标。当构件或结构系统的失效准则建立以后， 便可根据这些准则，计算评价构件或结构系统的各种可靠性指标， 如可靠度、失 效概率等。结构可靠性设计技术的发展目前还不尽完善。 这是因为可靠性设计必须掌握各类 设计因素的真实概率特性，因而需要有原始资料的积累，需要大量的数据资源， 而它的获取必须来自于大量的

6、可靠性试验。这一工作尚属起步阶段，尚未形成统 一标准的设计规范，但可靠-!性设计作为一种设计思想在现阶段的结构设计中已有 所体现，如：可靠性设计准则的建立，系统可靠度的分配方法等。目前的可靠性 设计工作多是通过静强刚度设计、安全寿命设计、损伤容限和耐久性设计等规范 获得结构设计结果，再利用可靠性分析方法来评价其可靠性程度，因此掌握结构可靠性分析评价技术与方法就显得十分重要了， 而真正建立起完整的结构可靠性 设计体系尚有待今后工作的积累与发展。 但可以预料，任何一种新的设计思想应 当是对旧的设计体系的完善与扬弃，因此由结构可靠性设计思想而产生的各种设计准则、 方法在很大 程度上与其他旧设计体系的

7、内容在原则上应是一致的， 女口：多路传力和多重元件 设计不仅是损伤容限设计的准则之一，这样的结构体系必然可靠度就高，也会成为结构可靠性的设计原则之 一:再例如结构静强度优化设计中的等应力工程准则， 在可靠性设计中则表现为 系统中各元件的可靠性指标也应大致相近等。结构可靠性试验是为了分析、验证与定量评价结构可靠性指标而进行的各种试验 的总称。结构可靠性试验的目的是为了获得结构在各种环境下工作时的真实的可靠性指 标，为结构的设计、制造和使用提供资料；同时通过试验可发现结构的薄弱环节， 改进设计参数、制造工艺和使用方法，以提高结构的可靠度。二、结构可靠性分析方法概述1 1 .安全余量方程进行结构元件

8、可靠性分析评估时，需要建立起元件设计变量与元件能力表征量间 的分析关系，这类似于确定性分析设计中的工程破坏判据， 但可靠性分析是建立 在随机变量的分析基础之上。这个概率型的联系设计变量与结构元件固有性能表 征量间的“破坏判据”，通常称为元件的安全余量方程或破坏面方程。以下结合 结构元件的工程设计问题，举例说明各种形式的安全余量方程。 讨论结构元件的 静强度可靠性时，可初步认为只有两个随机变量，即元件的强度只和元件的内力 s s .元件的强度由于材料的强度特性、元件尺寸等不确定因素呈随机性；而元件 所承受的内力由于作用载荷的随机性以及元件尺寸与元件在结构系统中所处的 位置等不确定因素显然是随机变

9、量。如果元件能够承载，则M M = = R R S S 0 0表示了元件的安全余量，故称为安全余量方程， 可靠度定义为元件能可靠承载的概率，故可表示为-!Rr- S 0元件不能承载，即M= J? - S 0码別*）则元件的失效概率可表示为：上述的安全余量（边界）方程是线性的（如图 4 4, 5353（a a）所示），但要求解安全余量 方程的概率 可靠性概率或失效概率）则需要依据方程中各变量的概率分布函数 以及变量间概率分布的干涉特征来确定（如图 4 4. 5353（b b）。当变量的概率密度函 数形式简单且具有可和性时，我们可直接通过变量的概率分布获得安全余量的概 率分布，此时可靠性概率的计算

10、就比较容易了.E 4, 532 安令电拧与兗全世城件】强戰岸肉山时概喂密吐函敢鼻晞结构元件的疲劳强度可靠性同样可表示为 4.4. 6060 式的安全余量形式，只是只应理 解为元件的疲劳强度；s s 理解为循环交变载荷。当然，这里 R R 与 S S 的物理随机性 质与载荷概率特性与静强度问题的差别就大相径庭了。结构元件中疲劳损伤累积的安全余量方程可表示为式中，0 0/ =刀之（参见 4 4. 3 3 节），0 0，则为材料的临界损伤阀值，与材料冷、热 加工中众多不确 = I I / A A定因素相关，故是随机变量。表示结构元件在一定载荷谱下不发生疲劳破坏的可靠性概率即为含 I I 型裂纹结构元

11、件剩余强度的安全余量可表示为Pf= FK-S 0 =比(4.&阳)(a)-!M- Ki Kir(4- O)式中，KiKi 为应力强度因子，与元件的几何构形、裂纹形态与长度、外加载荷的 作用形式及位置等诸多随机因素有关；KlcpKlcp 为平面应变断裂韧性，是一材料条 件常数，与元件几何、材料基本性能、载荷作用条件等随机因素有关。由剩余强度表征的含裂结构元件损伤容限安全余量的可靠性即为兔=PfKi一“不卞打叫:亠碗亠码比=叭期=I).濒788片-软一0)=认003们2若安全系数/= 1 1,贝二 o o,只。=o.o. 5 5,/=o.o. 8 8,贝=一 1.1. 1765,1765,

12、 R:R: = o o. 119119 &由此可见：1)1) 在/二 l l 时，只有 5050%的可靠性，且与 R R 和 s s 的分散程度无关，2)2) / 11 时，并不能保证元件 100100%安全.3)3) /1 (4*(4* 式中 叫一元件的町茸性婆求，出 一所址计元杵的可靠匪由设计后经分析或试脸得玖结构元件可靠性设计在某种意义上是元件可靠度计算的逆问题.以应力、强度问题的可靠性指标设计准则为例可知P=UT74)式屮疔可:计的可S.U5?求所对顺的可靠性措舫我们能够建立起应力均值从及应力方差咭与设计变量均值( (设为 的关系，即gig*C4.7-5)求解该非线性方程，可得

13、出相应设计变量的均值取值范围， 设计变量的均值就是 通常工程设计上的名义值。至于安全寿命、损伤容限等其他可靠性设计问题在原 理上是一致的，只是一般难以获得解析解，但就一般工程设计而言，只要有一定 精度的数值解也就足够了，不必有精确的解析解。2 2 结构体系可靠性设计的原则方法电子系统和一般的系统工程的可靠性设计通常采用的是可靠性指标分配法，但是结构体系的可靠性设计一般不宜采用这一方法，这是因为：(1)(1) 结构体系中的元件通常不能简单地简化为串联和并联结构，而可靠性指标分配法则是在串联、并联逐级组合而成的系统上建立与发展起来的，所以对复杂结构采用这一方法是不适宜的；(2)(2) 每当结构体系

14、内有一个元件达到临界状态后，体系内务元件的内力通常将发生变化，如若不考虑因元件失效而带来的内力重新分配对结构可靠度的影响，则此可靠性分析的结果必将精度很低，通常已没有意义；(3)(3)在计算结构体系的可靠度时，必须考虑结构元件之间的相关性以及各失效模 式之间的相关性，如若略去这种相关-!性，则计算精度很低；(4)(4)结构体系的破坏是由任意一个失效模式的出现而引起的，各失效模式通常可以认为是串联的，但任何一个失效模式的发生所涉及的若干个临界元件则并不存在简单的并联关系， 必须考虑失效历程各阶段的内力变化。因此结构体系的可靠性设计必须是以结构 整体来考虑的，而不只是以结构体系中的某个元件或某个局

15、部来考虑，结构体系的可靠性设计准则同样可表述为站涉射u-式中，片 s s 是结构体系的可靠度，可以通过对结构体系的分析、试验等方法得到, R R/是结构体系的可靠度要求。这一准则同样可应用于强度、刚度、疲劳、断裂 等。由此可见，以结构整体为对象的可靠性设计可利用结构可靠性优化设计方法 来解决.对于飞机结构，通常以结构重量最小作为目标函数， 则其可靠性优化问 题的基本方程可表示为：工亠m JTs t，gmi-iiW 仙i i.(4.77)斜轧A.Cr) = 0.式(4(4 . 77)77)可用优化设计的一般方法求解。3 3 结构体系的可靠性设计评估在结构设计的方案设计阶段，精确计算各遴选方案的结

16、构体系的可靠度是十分困 难和费时的，实际上也是不必要的。通常情况下，只需知道各方案的结构体系的 可靠性等级，以作为比较不同设计方案优劣的标准之一， 下面主要介绍结构体系 余度概念在结构体系可靠性评估中的使用。目前对结构体系余度尚无公认的统一定义， 其基本含义是指结构体系能够承受体 系内元件失效能力的一种度量。结构体系的破坏可归结为两大类：由于出现了超过设计载荷的非预期的过大载 荷而导致结构体系的整体破坏，如大地震、特大暴风雪等，这一类破坏实际上是 不可避免的；由于意外事件引起的结构体系内一部分元件的失效而导致的整个 结构体系的破坏，如疲劳、断裂腐蚀、颤振等。对第一类问题，通常以加一个统一的安全

17、系数来处理. 对第二类问题，人们认识 到合理的解决途径是使结构具有一定的余度。一些学者把结构体系的余度分为三 个等级；。级结构余度结构体系内任意一个元件的失效就会导致整个结构体系的破坏显然静定结构即为其典型之例。l l 缎结构余度结构体系内的一些次要元件失效后，残余结构仍具有承受大部分原设计载荷的能力 ( (例如 2 23 3 或 2 23 3 以上的设计载荷 ) )。2 2 级结构余度结构体系内的一个主要元件失效后， 残余结构仍具有承受大部 分原设计载荷的能力。实践经验和历史事实表明， 采用只具有。 级结构余度的结构体系是不适当的， 因 为此结-!构体系没有抵抗任何意外事件发生的能力； 而对大部分结构， 采用 2 2 级结 构余度又是不经济的；所以实际的工程结构通常都采用 1 1 级结构余度。由上可知， 非。级结构余度的结构体系必定为静不定的多路传力结构。 结构余度 等级在方案设计阶段是十分容易确定的。由结构体系的可靠性设计评估思想我们不难总结出以下两个按可靠性设计思想 得出的设计原则。(1)(1) 结构