結(jié)構(gòu)可靠性分析基礎7課件_第1頁
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七、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析1.引言結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析的目的是為了預測結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在規(guī)定的使用條件下,在所要求的工作時間內(nèi),完成規(guī)定功能能力的高低。并且研究可能達到的實際最高可靠度的條件??煽啃灶A測工作,對選擇結(jié)構(gòu)設計方案有很高的價值,因為決定方案選擇的重要因素之一是這些方案的相對可靠度??煽啃灶A測也可揭示降低結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的原因,找到了影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的主要原因之后,便可采用必要的改進措施,以提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性取決于構(gòu)成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的所有零、部件的可靠性和各零、部件的連接方法。2.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性框圖分析法結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由相互作用的零、部件組成,研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性時,最重要的工作就是建立結(jié)構(gòu)可靠性模型。這種可靠性模型通常用可靠性框圖表示,它是一種顯示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠或失效的諸零、部件之間的邏輯關系的示意圖。繪制這些框圖的原則是有利于對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠或失效的邏輯關系迅速而有效地作出判斷。2.1串聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu)指的是,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)種各零、部件從功能和邏輯關系上看,如同許多鏈環(huán)連接成的一個鏈條。圖7-1表示n個零(部)件的串聯(lián)結(jié)構(gòu)邏輯框圖。這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點是:(a)假定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中n個零(部)件相互獨立,即其中任何一個零(部)件12n···圖7-1串聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性框圖的失效都與其它零(部)件的失效無關。(b)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中任何一個零(部)件失效,都引起整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效;反之,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)若能正常工作,就必須每個零(部)件都處于可靠狀態(tài)。設結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各零(部)件的可靠度分別為,則根據(jù)概率乘法定理,串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠度為如果各零(部)件的壽命都服從指數(shù)分布,即(7.1)其中為第個零(部)件的失效率,則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度為因此,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效率為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平均壽命為(7.2)(7.3)(7.4)(7.5)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠度為從以上結(jié)果可以看出,并聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠度隨零(部)件數(shù)n和零(部)件可靠度的增加而增加。2.3串—并聯(lián)結(jié)構(gòu)許多結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是由串聯(lián)結(jié)構(gòu)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)組合而成的,稱為串—并聯(lián)結(jié)構(gòu)。串—并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的形式很多,它可以是由一組串聯(lián)子結(jié)構(gòu)與另一組串聯(lián)子結(jié)構(gòu)組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu),也可以是由兩個或更多的并聯(lián)子結(jié)構(gòu)串聯(lián)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng);還可以是混合串并聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。圖7-3(a)是串—并聯(lián)結(jié)構(gòu)邏輯框圖。其可靠度的計算方法,是先將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中相應的串、并聯(lián)子結(jié)構(gòu)歸并起來,簡化為一個等效的串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu),然后計算等效結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度,即為原結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度。123456781234567812345678(a)(b)(c)圖7-3串—并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性框圖及簡化過程圖7-3所示例子的計算步驟如下:(1)求出串聯(lián)單元1,2,3和串聯(lián)單元4,5及并聯(lián)單元6,7三個子系統(tǒng)的可靠度,,。(2)求出并聯(lián)單元123,45子系統(tǒng)的可靠度。(3)最后求等效的串聯(lián)系統(tǒng),即圖7-3(c)的可靠度,得統(tǒng)的可靠度為:當各零(部)件可靠度相同,即,則如果各零(部)件的失效時間服從指數(shù)分布,且失效率為常數(shù),則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的平均工作時間為(7.6)(7.7)(7.8)一般情況,r/n表決系統(tǒng)的數(shù)學模型為:式中:——系統(tǒng)的可靠度;——系統(tǒng)組成單元(各單元相同)的可靠度;——表決器的可靠度。當表決器的可靠度為1,各單元均服從失效率為的指數(shù)分布時,r/n系統(tǒng)的可靠度為:(7.9)(7.10)系統(tǒng)的平均工作時間為:(7.11)當r=1,1/n即為并聯(lián)系統(tǒng);當r=n,n/n即為串聯(lián)系統(tǒng)。r/n系統(tǒng)的平均工作時間比并聯(lián)系統(tǒng)小,比串聯(lián)系統(tǒng)大。2.5貯備結(jié)構(gòu)的可靠性圖7-5所示為由n個零(部)件組成的貯備結(jié)構(gòu)的邏輯框圖。貯備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又稱為旁聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng),其特征是:其中一個零(部)件工作,其余n-1個零(部)件處于非工作狀態(tài)的貯備,當工作的零(部)件發(fā)生故障時,通過轉(zhuǎn)換裝置使貯備的零(部)件逐個地去替換,直到所有的零(部)件都發(fā)生故障時,則該貯備結(jié)構(gòu)失效。貯備結(jié)構(gòu)應該有監(jiān)測裝置及轉(zhuǎn)換裝置。監(jiān)測裝置的作用是當工作的零(部)件一旦失效時,監(jiān)測裝置及時發(fā)現(xiàn)這一故障并發(fā)出信號,使轉(zhuǎn)換裝置及時工作。轉(zhuǎn)換裝置的作用就是及時的使貯備零(部)件逐個地去頂替失效的零(部)件,保證貯備結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常工作。在飛機上起落架的應急放下結(jié)構(gòu)是典型的貯備結(jié)構(gòu)。圖7-5貯備結(jié)構(gòu)可靠性框圖12n···K故障監(jiān)測和轉(zhuǎn)換裝置3.故障模式影響及危害性分析(FMECA)

(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis)故障模式影響及危害性分析是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響,并按每一個故障模式的嚴重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法。故障模式影響分析(FMEA)是故障模式分析(FMA)和故障影響分析(FEA)的綜合。而故障模式影響及危害性分析(FMECA)是故障模式影響分析(FMEA)及故障危害性分析(FCA)的綜合。即FMECA包括三個內(nèi)容:故障模式分析、故障影響分析和影響的危害性(又稱“嚴重性”或“致命性”)分析。目前在航空、航天、兵器、艦船、電子、機械、汽車、家用電器等工業(yè)領域,F(xiàn)MECA方法均獲得了一定程度的普及,為保證產(chǎn)品的可靠性發(fā)揮了重要作用??梢哉f該方法經(jīng)過長時間的發(fā)展與完善,已獲得了廣泛的應用與認可,成為在系統(tǒng)的研制中必須完成的一項可靠性分析工作。4.故障(失效)樹分析法(FTA)故障樹分析(FaultTreeAnalysis—FTA)法是在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計過程中,對可能造成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的各種因素進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),從而確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式或其發(fā)生概率,以計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率,采取相應糾正措施,以提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性的一種分析方法。

故障樹分析的特點是:(a)故障樹分析是一種圖形演繹方法,是失效事件在一定條件下的邏輯推理方法。它可以圍繞特定的失效狀態(tài)作層層深入的分析,因而在清晰的故障樹圖形下,表達了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系,并指出零部件失效與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效之間的邏輯關系,從而可找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的全部故障譜,找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。(b)它能考慮可能造成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效的各種因素,不僅可以分析某些零部件失效對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響,還可以考慮軟件的、環(huán)境的和人的行為等因素。(c)故障樹建成后,對不曾參與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計分析的管理和維修人員來說相當于一個形象的管理、維修指南,因此可用于培訓使用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的人員和用于檢查事故發(fā)生的原因。(d)通過故障樹分析,可以定量的計算復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率和有關可靠性參數(shù),為改善和評估結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性提供定量數(shù)據(jù)。(e)故障樹分析比較復雜,工作量大,必須使用計算機。

故障樹分析的缺點是:建樹時需要考慮的因素太多,耗費人力和時間,而且容易失察和出錯,往往缺乏所需原始數(shù)據(jù)。故障樹分析法雖然目前已取得了廣泛的應用,但該方法本身仍需要進一步發(fā)展和完善。

故障樹分析的主要步驟如下:①選擇和確定頂事件;②自上而下地建造故障樹;③故障樹的定性分析;④故障樹的定量計算。故障樹的定性分析故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發(fā)生的原因事件及原因事件的組合,即識別導致頂事件發(fā)生的所有故障模式集合;幫助分析人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障,發(fā)現(xiàn)設計的薄弱環(huán)節(jié),以便改進設計;還可用于指導故障診斷,改進使用和維修方案。在進行故障樹定性分析之前,首先應明確下面幾個基本概念:

割集(cutset):故障樹中一些底事件的集合。當這些底事件同時發(fā)生時,頂事件必然發(fā)生。

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