結(jié)構(gòu)可靠性發(fā)展歷史

      20世紀50年代，弗洛伊登撒爾（A.M.Freuenthal）首先研究了傳統(tǒng)設計法中的安全系數(shù)和結(jié)果破壞概率之間的內(nèi)在關系，建立了結(jié)構(gòu)可靠性分析的思想數(shù)學模型，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，也使得整個學術界和工程界開始關注和重視可靠性問題，并將概率分析和概率設計的思想引入到實際工程。

　　1969年，美國的柯涅爾提出了與結(jié)構(gòu)失效概率相關的可靠指標β作為衡量結(jié)構(gòu)安全度的一種統(tǒng)一數(shù)量指標，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的現(xiàn)代可靠性分析理論。

　　20世紀60年代末至80年代初，美國、加拿大和前蘇聯(lián)等國制定了標準和規(guī)范，作為結(jié)構(gòu)元件概率設計的依據(jù)。1976年，結(jié)構(gòu)安全性聯(lián)合委員會（JCSS）也認可了概率設計方法，并對其推廣。這種設計方法隨著概率、統(tǒng)計數(shù)學和可靠性理論的發(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70年代把半經(jīng)驗半概率的方法用于結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中，并于1980年提出《結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》。從此，結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究與應用才在國內(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、承受或傳遞力和運動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)組成一個構(gòu)件，若干構(gòu)件組成一個部件，若干部件組合為裝備的整體結(jié)構(gòu)(如彈體、機體、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，以及不同的失效機理，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各種失效模式，通?？蓺w納為靜強度失效、疲勞斷裂失效、動強度失效、環(huán)境強度失效和熱強度失效幾類，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、任務可靠性、維修性和耐久性均密切相關，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；結(jié)構(gòu)的修理維護(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，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，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)行任務的前提，因此，結(jié)構(gòu)安全可靠度與裝備的任務可靠度直接相關，其指標要求明顯高于裝備的任務可靠度指標。

結(jié)構(gòu)安全可靠度主要包括靜強度可靠度和使用壽命期內(nèi)的安全可靠度。靜強度是結(jié)構(gòu)設計首先要保證的基本前提，靜強度可靠性指標應明顯高于使用壽命期內(nèi)的安全可靠度，在裝備研制時要對二者指標分別提出。

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。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確定的安全壽命的存活率；對于進行損傷容限設計的裂紋可檢結(jié)構(gòu)，安全可靠度為耐久性/損傷容限分析與試驗所確定的修理間隔對應的安全裂紋形成壽命的存活率和檢查周期對應的安全裂紋擴展壽命的存活率。主要受應力腐蝕作用的結(jié)構(gòu)，安全可靠度應為日歷年限壽命對應的應力腐蝕壽命的存活率。

（2）使用壽命

參考GJB451-90中關于裝備（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間（如飛機的飛行小時數(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（如運載火箭一類裝備）結(jié)構(gòu)，原則上不存在疲勞壽命。

當采用不同的壽命準則時，疲勞壽命存在如下兩種表達形式：

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。按照安全壽命準則確定的疲勞壽命可以實現(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)濟壽命（耐久XING服役壽命）：結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟壽命(耐久XING服役壽命)是由結(jié)構(gòu)耐久性試驗和分析、評估結(jié)果所得到的壽命，即當結(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)濟的，則認為結(jié)構(gòu)達到了經(jīng)濟壽命，其特征是損傷部位的數(shù)量和修理費用迅速增加。經(jīng)濟壽命必須有規(guī)定的維修大綱(計劃)與之對應。按照經(jīng)濟壽命準則確定疲勞壽命不僅考慮結(jié)構(gòu)的安全，同時考慮了經(jīng)濟性。

 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，將可靠性指標分配到各組成單元，然后再對各組成單元的故障模式進行分析。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，如靜強度失效、動強度失效，疲勞/斷裂失效、腐蝕(老化)失效等，不同失效模式對應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，保證該失效模式下整體結(jié)構(gòu)體系達到對應的可靠性要求。因此，結(jié)構(gòu)失效模式的分析必須首先進行。

對每種失效模式，應依據(jù)其影響和危害度分析，確定其嚴重性級別：

(a) 災難性的(Ⅰ類)：導致裝備毀壞，造成人員死亡；

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

(c) 嚴重的(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)：導致計劃外的維護和修理。

 對每種失效模式，還要判斷對結(jié)構(gòu)可靠性的哪個參數(shù)起作用。例如靜強度失效直接影響結(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；動強度失效直接影響結(jié)構(gòu)的使用安全，主要通過設計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行可靠性指標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，均應建立結(jié)構(gòu)體系的可靠性模型，并進行可靠性分配；

可靠性模型的建立應以組成結(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，必要時可以應用故障樹分析的方法。

在建立可靠性模型的同時，應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層次的結(jié)構(gòu)，通常要求分配到每一個構(gòu)件，特別是關鍵件和重要件。

本著工程可用的原則，在設計初期的可靠性分配可以將組成結(jié)構(gòu)體系的各個構(gòu)件保守地視為串聯(lián)系統(tǒng)，并假定每個構(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)進行可靠性分析，必須通過計算與實測，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）載荷的結(jié)構(gòu)，為進行結(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—時間歷程的疲勞載荷譜。

（4）結(jié)構(gòu)的靜強度可靠性分析

參照有關結(jié)構(gòu)強度規(guī)范的安全系數(shù)法類型與安全系數(shù)取值設計結(jié)構(gòu)。

考慮應力、強度的變異性，評定所設計結(jié)構(gòu)的靜強度可靠度。

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

（5）結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析

對于承受疲勞（重復）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)使用壽命達到規(guī)定指標。

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)境強度可靠性分析

結(jié)構(gòu)環(huán)境強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)應力腐蝕對應的使用年限（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)動強度可靠性分析

結(jié)構(gòu)在振動﹑沖擊或時變載荷作用下的失效問題，稱為動強度問題。傳統(tǒng)的安全系數(shù)法或許用應力法都是以確定性分析為基礎，顯然無法回答結(jié)構(gòu)的設計是趨于保守還是有破壞的危險。設計時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行合理而有效的結(jié)構(gòu)動強度可靠性分析評估。目前的結(jié)構(gòu)強度可靠性分析計算一般采用數(shù)值解法來進行，工程中常用的是隨機有限元法。

（8）結(jié)構(gòu)的熱強度可靠性分析

    在熱環(huán)境下設計分析結(jié)構(gòu)可靠性，方法參考上述相關內(nèi)容。

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