結(jié)構(gòu)可靠性發(fā)展歷史

      20世紀(jì)50年代，弗洛伊登撒爾（A.M.Freuenthal）首先研究了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法中的安全系數(shù)和結(jié)果破壞概率之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了結(jié)構(gòu)可靠性分析的思想數(shù)學(xué)模型，并于1947年在上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)，也使得整個(gè)學(xué)術(shù)界和工程界開始關(guān)注和重視可靠性問題，并將概率分析和概率設(shè)計(jì)的思想引入到實(shí)際工程。

　　1969年，美國的柯涅爾提出了與結(jié)構(gòu)失效概率相關(guān)的可靠指標(biāo)β作為衡量結(jié)構(gòu)安全度的一種統(tǒng)一數(shù)量指標(biāo)，并建立了結(jié)構(gòu)安全度的二階矩模式，形成了以二階矩法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代可靠性分析理論。

　　20世紀(jì)60年代末至80年代初，美國、加拿大和前蘇聯(lián)等國制定了標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，作為結(jié)構(gòu)元件概率設(shè)計(jì)的依據(jù)。1976年，結(jié)構(gòu)安全性聯(lián)合委員會（JCSS）也認(rèn)可了概率設(shè)計(jì)方法，并對其推廣。這種設(shè)計(jì)方法隨著概率、統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)和可靠性理論的發(fā)展逐步成熟并將取代傳統(tǒng)的安全系數(shù)法。

　　我國對結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究起步較晚，20世紀(jì)60年代土木工程界曾廣泛開展過結(jié)構(gòu)安全度的研究和討論，20世紀(jì)70年代把半經(jīng)驗(yàn)半概率的方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，并于1980年提出《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。從此，結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究與應(yīng)用才在國內(nèi)正式開展。

 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)可靠性概念

（1）結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)是裝備用于抵抗、承受或傳遞力和運(yùn)動(dòng)的金屬或非金屬部件、構(gòu)件或元件(零件)的統(tǒng)稱。通常若干元件(零件)組成一個(gè)構(gòu)件，若干構(gòu)件組成一個(gè)部件，若干部件組合為裝備的整體結(jié)構(gòu)(如彈體、機(jī)體、船體、車體)。

（2）結(jié)構(gòu)可靠性

結(jié)構(gòu)可靠性的定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生破壞或功能失效的能力。結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。

結(jié)構(gòu)的使用條件為承受的載荷/環(huán)境，規(guī)定的使用時(shí)間為結(jié)構(gòu)的使用壽命，破壞或功能失效

結(jié)構(gòu)的主要失效模式

結(jié)構(gòu)失效形式可概括為“破壞”（斷裂）和“功能失效”兩個(gè)方面。由于承受不同的載荷/環(huán)境及其組合，以及不同的失效機(jī)理，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各種失效模式，通常可歸納為靜強(qiáng)度失效、疲勞斷裂失效、動(dòng)強(qiáng)度失效、環(huán)境強(qiáng)度失效和熱強(qiáng)度失效幾類，詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)主要失效模式分類

結(jié)構(gòu)可靠性主要參數(shù)

       結(jié)構(gòu)可靠性與裝備的可用性、任務(wù)可靠性、維修性和耐久性均密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)的破壞與功能失效必然會影響裝備的可用性和任務(wù)可靠性；結(jié)構(gòu)的使用壽命更是決定裝備壽命和耐久性的基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)的修理維護(hù)(大修和現(xiàn)場維修)對裝備的維修性也起著重要的作用。但是，結(jié)構(gòu)可靠性問題有著與裝備其它分系統(tǒng)明顯不同的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的破壞與功能失效概率、使用壽命體系以及維修方案密切相關(guān)，因此，本著體現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性要求和工程上可以評定的原則，提出如下的結(jié)構(gòu)可靠性主要參數(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)安全可靠度

結(jié)構(gòu)安全可靠度是結(jié)構(gòu)在裝備使用期間內(nèi)不發(fā)生破壞(或失效)的概率。由于結(jié)構(gòu)不失效是保證裝備執(zhí)行任務(wù)的前提，因此，結(jié)構(gòu)安全可靠度與裝備的任務(wù)可靠度直接相關(guān)，其指標(biāo)要求明顯高于裝備的任務(wù)可靠度指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)安全可靠度主要包括靜強(qiáng)度可靠度和使用壽命期內(nèi)的安全可靠度。靜強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要保證的基本前提，靜強(qiáng)度可靠性指標(biāo)應(yīng)明顯高于使用壽命期內(nèi)的安全可靠度，在裝備研制時(shí)要對二者指標(biāo)分別提出。

使用壽命期內(nèi)的安全可靠度反映了結(jié)構(gòu)安全可靠的水平，與使用壽命密切相關(guān)。對于裂紋不可檢結(jié)構(gòu)，安全可靠度為用疲勞分析和試驗(yàn)確定的安全壽命的存活率；對于進(jìn)行損傷容限設(shè)計(jì)的裂紋可檢結(jié)構(gòu)，安全可靠度為耐久性/損傷容限分析與試驗(yàn)所確定的修理間隔對應(yīng)的安全裂紋形成壽命的存活率和檢查周期對應(yīng)的安全裂紋擴(kuò)展壽命的存活率。主要受應(yīng)力腐蝕作用的結(jié)構(gòu)，安全可靠度應(yīng)為日歷年限壽命對應(yīng)的應(yīng)力腐蝕壽命的存活率。

（2）使用壽命

參考GJB451-90中關(guān)于裝備（產(chǎn)品）使用壽命的定義，結(jié)構(gòu)使用壽命的定義為“裝備結(jié)構(gòu)從制造完成到失效時(shí)的壽命單位數(shù)”，壽命單位是裝備結(jié)構(gòu)使用持續(xù)期的度量。

結(jié)構(gòu)的使用壽命通常包含用工作時(shí)間（如飛機(jī)的飛行小時(shí)數(shù)、艦船和軍用車輛的行駛里程數(shù)）表示的疲勞壽命和用使用持續(xù)時(shí)間（年限）表示的日歷壽命，儲存壽命也屬于日歷壽命的范疇。而對一次使用的裝備（如運(yùn)載火箭一類裝備）結(jié)構(gòu)，原則上不存在疲勞壽命。

當(dāng)采用不同的壽命準(zhǔn)則時(shí)，疲勞壽命存在如下兩種表達(dá)形式：

a）安全壽命：是采用大分散系數(shù)所獲得的具有極低疲勞開裂概率的使用壽命，分散系數(shù)取決于疲勞可靠度(疲勞開裂概率)的要求和結(jié)構(gòu)疲勞壽命分散性。按照安全壽命準(zhǔn)則確定的疲勞壽命可以實(shí)現(xiàn)在該壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)疲勞失效概率很低，確保結(jié)構(gòu)的使用安全。

b）經(jīng)濟(jì)壽命（耐久XING服役壽命）：結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)壽命(耐久XING服役壽命)是由結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)和分析、評估結(jié)果所得到的壽命，即當(dāng)結(jié)構(gòu)大范圍出現(xiàn)損傷，若不修理則影響裝備的使用功能和戰(zhàn)備狀態(tài)，而修理又是不經(jīng)濟(jì)的，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)壽命，其特征是損傷部位的數(shù)量和修理費(fèi)用迅速增加。經(jīng)濟(jì)壽命必須有規(guī)定的維修大綱(計(jì)劃)與之對應(yīng)。按照經(jīng)濟(jì)壽命準(zhǔn)則確定疲勞壽命不僅考慮結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)考慮了經(jīng)濟(jì)性。

 結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要工作內(nèi)容

結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要工作內(nèi)容如圖1所示。有關(guān)工作內(nèi)容概要說明如下：

（1）結(jié)構(gòu)失效模式、影響及危害度分析

裝備其它分系統(tǒng)的可靠性分析，通常首先是建立可靠性模型，將可靠性指標(biāo)分配到各組成單元，然后再對各組成單元的故障模式進(jìn)行分析。而結(jié)構(gòu)與裝備其它分系統(tǒng)不同，它必須首先分析不同裝備結(jié)構(gòu)可能的失效模式，如靜強(qiáng)度失效、動(dòng)強(qiáng)度失效，疲勞/斷裂失效、腐蝕(老化)失效等，不同失效模式對應(yīng)著不同的可靠性要求，包括定量要求和定性要求。針對每一種可能的失效模式，建立可靠性模型，分配可靠性指標(biāo)，保證該失效模式下整體結(jié)構(gòu)體系達(dá)到對應(yīng)的可靠性要求。因此，結(jié)構(gòu)失效模式的分析必須首先進(jìn)行。

對每種失效模式，應(yīng)依據(jù)其影響和危害度分析，確定其嚴(yán)重性級別：

(a) 災(zāi)難性的(Ⅰ類)：導(dǎo)致裝備毀壞，造成人員死亡；

(b) 致命性的(Ⅱ類)：造成結(jié)構(gòu)功能的嚴(yán)重喪失，導(dǎo)致人員嚴(yán)重傷害；

(c) 嚴(yán)重的(Ⅲ類)：造成人員輕度傷害，結(jié)構(gòu)功能輕度喪失；

(d) 輕度的(Ⅳ類)：導(dǎo)致計(jì)劃外的維護(hù)和修理。

 對每種失效模式，還要判斷對結(jié)構(gòu)可靠性的哪個(gè)參數(shù)起作用。例如靜強(qiáng)度失效直接影響結(jié)構(gòu)的安全可靠度，有定量的可靠性要求；疲勞/斷裂失效直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全可靠度，也有定量的可靠性要求；動(dòng)強(qiáng)度失效直接影響結(jié)構(gòu)的使用安全，主要通過設(shè)計(jì)中的控制與分析加以防止以保證可靠性；而腐蝕(老化)失效本身主要影響結(jié)構(gòu)的日歷壽命(使用年限)，但腐蝕(老化)與疲勞共同作用下的失效屬于疲勞/斷裂失效的范疇。對于有可靠性定量要求的失效模式必須進(jìn)行可靠性指標(biāo)分配和可靠性定量評估。

（2）可靠性模型與可靠性分配

對于每種有可靠性定量要求的失效模式，均應(yīng)建立結(jié)構(gòu)體系的可靠性模型，并進(jìn)行可靠性分配；

可靠性模型的建立應(yīng)以組成結(jié)構(gòu)體系的所有部件、構(gòu)件、零件對結(jié)構(gòu)失效作用的分析為基礎(chǔ)，必要時(shí)可以應(yīng)用故障樹分析的方法。

在建立可靠性模型的同時(shí)，應(yīng)采用危害度分析方法找出對結(jié)構(gòu)失效有重大影響的關(guān)鍵件和重要件，并按其失效危害度的大小將其分類(如A、B、C…類)

可靠性分配是指將對結(jié)構(gòu)體系的可靠性定量要求分配到各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)，通常要求分配到每一個(gè)構(gòu)件，特別是關(guān)鍵件和重要件。

本著工程可用的原則，在設(shè)計(jì)初期的可靠性分配可以將組成結(jié)構(gòu)體系的各個(gè)構(gòu)件保守地視為串聯(lián)系統(tǒng)，并假定每個(gè)構(gòu)件分配相同的可靠度。

（3）結(jié)構(gòu)的載荷與環(huán)境分析

載荷和環(huán)境是結(jié)構(gòu)的使用條件，為對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，必須通過計(jì)算與實(shí)測，確定結(jié)構(gòu)所承受的載荷與環(huán)境，而對于承受疲勞（重復(fù)）載荷的結(jié)構(gòu)，為進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析，必須編制反映結(jié)構(gòu)使用中載荷—時(shí)間歷程的疲勞載荷譜。

（4）結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度可靠性分析

參照有關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度規(guī)范的安全系數(shù)法類型與安全系數(shù)取值設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

考慮應(yīng)力、強(qiáng)度的變異性，評定所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度可靠度。

根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)分配給該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度可靠度，判斷所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否滿足可靠度要求以及是否過于保守。對設(shè)計(jì)安全系數(shù)的取值提出指導(dǎo)性的建議。

（5）結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析

對于承受疲勞（重復(fù)）載荷的結(jié)構(gòu)，疲勞斷裂可靠性分析結(jié)果是決定結(jié)構(gòu)可靠性的主要因素。疲勞斷裂可靠性分析的目的是，保證在規(guī)定的載荷/環(huán)境譜下結(jié)構(gòu)使用壽命滿足規(guī)定的可靠性要求，或者在規(guī)定的可靠性要求下結(jié)構(gòu)使用壽命達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析包括疲勞可靠性分析與疲勞載荷下的斷裂可靠性分析—損傷容限分析。

（6）結(jié)構(gòu)環(huán)境強(qiáng)度可靠性分析

結(jié)構(gòu)環(huán)境強(qiáng)度可靠性分析包括結(jié)構(gòu)表面涂層在環(huán)境腐蝕（老化）作用下的使用年限（日歷壽命）分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕對應(yīng)的使用年限（日歷壽命）分析以及腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析。

（7）結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度可靠性分析

結(jié)構(gòu)在振動(dòng)﹑沖擊或時(shí)變載荷作用下的失效問題，稱為動(dòng)強(qiáng)度問題。傳統(tǒng)的安全系數(shù)法或許用應(yīng)力法都是以確定性分析為基礎(chǔ)，顯然無法回答結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是趨于保守還是有破壞的危險(xiǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)有必要考慮載荷及材料性能等參數(shù)的分散性，借助概率分析方法進(jìn)行合理而有效的結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度可靠性分析評估。目前的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性分析計(jì)算一般采用數(shù)值解法來進(jìn)行，工程中常用的是隨機(jī)有限元法。

（8）結(jié)構(gòu)的熱強(qiáng)度可靠性分析

    在熱環(huán)境下設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)可靠性，方法參考上述相關(guān)內(nèi)容。

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