以载荷作用次数为寿命指标的失效相关系统可靠性建模

提出以随机载荷作用次数为寿命度量指标框架下的失效相关系统可靠性建模方法。考虑系统中各零部件之间存在的失效相关性,通过引入条件可靠度建立失效相关系统可靠性模型。分别以静强度失效和疲劳失效的可靠性分析为背景,给出强度不退化和强度退化时随机载荷多次作用下的系统可靠度与失效率计算模型,并研究系统可靠度与失效率随载荷作用次数的变化规律。研究表明,即使强度不退化,系统的可靠度和失效率也会随着随机载荷作用次数的增加而逐渐减小,失效率曲线具有浴盆曲线"早期失效期"和"偶然失效期"的特征。强度随载荷作用次数退化时,随着载荷作用次数的增加,系统的可靠度降低较为明显;失效率先减小后增大,具有"浴盆曲线"的特征。所建立的模型可用于指导系统的可靠性设计、可靠性试验和全生命周期管理。     

应变疲劳可靠性理论与方法的新进展

介绍概率应变疲劳试验法、评价模型和损伤随机演化机制方面的新进展。突破经典极大似然法在参考试验载荷之外的单试样限制，提出新的广义极大似然疲劳试验法。新发现随机循环应力—应变响应现象并建立其概率模型。新发展概率疲劳应变一寿命模型。概率模型参数由称为广义极大似然法的方法确定，在整体数据层面综合考虑数据分散性规律与样本量对概率评价的影响。考虑随机应力—应变关系反映“随机应变载荷”、随机应变—寿命关系揭示材料的“应变强度”，提出随机应变载荷—强度干涉恒幅可靠性模型，与Keciguliu的递推法结合可进行变幅和应变载荷谱下的可靠性分析，形成了应变疲劳可靠性理论和方法的新体系。进一步根据有效短裂纹准则，揭示疲劳性能随机及演化性的本质原因源于主导有效短裂纹萌生区域及其裂尖区域微观结构扩展条件的差异及演化性；随机疲劳裂纹扩展、应变—寿命和应力—应变关系是3个关联的随机疲劳关系；疲劳损伤是一个由初始混沌状态，到独立无关的随机状态，然后到史相关随机状态的演化过程。     

结构疲劳可靠性分析智能仿真方法

将计算机智能仿真技术用于结构疲劳可靠性寿命评价。采用神经网络建立载荷级，损伤参数量及材料性能对应关系，模拟材料性能变化，采用随机离散仿真方法，建立材料疲劳失效可靠性分析仿真系统。     

考虑不同失效相关性的系统可靠性分配方法

为考虑系统组成单元间不同失效相关性对系统可靠性分配结果的影响,将影响系统可靠性分配的因素分为直接和间接两类,提出将复杂度和失效危害度作为直接影响因素,用于确定组成单元可靠性分配权重的相对大小。将工作环境、技术水平、改进成本等归为间接影响因素,引入相对分散性描述系统组成单元失效相关性,提出基于相对分散性的复杂度和危害度计算方法。基于Vine Copula函数建立考虑组成单元间不同失效相关性的串联系统可靠性分配模型,最后以某型数控机床主轴系统为例,进行不考虑相关性和考虑相关性两种情况下的系统可靠性分配结果对比分析,结果表明不考虑失效相关性得到的分配结果过于保守,增加产品研制费用。使用Vine Copula函数建立的系统可靠性分配模型能够考虑组成单元间不同的失效相关性,分配结果与传统多元Copula函数的分配结果相比更为合理。     

基于样本集聚原理的疲劳可靠性评估方法及其在零部件上的应用

针对随机载荷下的疲劳可靠性,为能实现用小样本量的或大分散性的寿命数据获得较精确的寿命评估结果,基于样本集聚原理,改进应力-寿命关系曲线的获得方法,介绍逐渐缩小区间搜索方法和考虑材料分散性和随机载荷下的疲劳可靠性模型。逐渐缩小区间搜索方法的核心思想是区间逼近,每次搜索循环后均会缩减最优值的范围,至满足设定容差的结果停止搜索,并拟合应力-寿命关系曲线。基于此关系曲线,由确定应力到随机应力,再到服役工况种类的随机性,逐步建立疲劳可靠性模型。应用提出方法评估一服役后铝合金构件的疲劳寿命。结果表明,逐渐缩小区间搜索方法可在短时间内获得高精度的P-S-N曲线,提出的疲劳可靠性模型贴近工程,传统疲劳可靠性模型的结果偏于保守。     

载荷多次作用下材料的寿命分布及可靠性评估

为对载荷多次作用下材料的疲劳可靠性进行评估,首先从随机载荷作用的统计学意义出发,基于顺序统计量理论建立了材料疲劳寿命的概率分布模型;然后考虑随机载荷作用次数的影响,建立了载荷多次作用下材料疲劳可靠性的计算模型;最后利用45#钢试样的疲劳试验数据对所建模型的有效性进行验证。结果表明:实验结果和理论分析结果接近,所建模型能够对材料的疲劳寿命分布及可靠性进行有效评估,对随机载荷多次作用下材料的动态可靠性评估具有一定借鉴意义。     

失效相关下齿轮传动系统的可靠性稳健优化设计

本文研究了不完全概率信息下齿轮传动系统多失效模式相关时的系统可靠性评估与优化设计问题。首先,建立了齿轮传动系统不同失效模式的可靠性模型;其次,采用基于三阶矩的鞍点逼近方法,实现了各失效模式的边缘失效概率估计,并建立了基于鞍点逼近的可靠性灵敏度模型;然后,考虑相关性对系统失效概率估计的影响,提出了基于Copula函数的系统可靠性评估方法;最后,讨论了齿轮传动系统的可靠性优化设计问题。经过数值算例验证可知,采用不同copula函数计算得到的失效概率有很大差异,其中Gaussian和Clayton Copula得到的结果与蒙特卡罗模拟结果基本一致。采用Clayton Copula进行了可靠性优化设计,所得结果可为齿轮传动系统的优化设计提供参考。     

随机恒幅循环载荷疲劳可靠度异量纲干涉模型

用于与时间无关的失效模式(例如静强度失效)的失效概率或可靠度计算的"应力-强度干涉模型"已很成熟,但要将干涉分析的概念与方法应用于与时间相关的失效模式(例如疲劳、磨损和腐蚀等)还存在许多困难,即使对于存在不确定性的恒幅循环载荷下的疲劳可靠性问题,目前也还没有像静强度应力-强度干涉模型那样简单、直接、有效的方法及数学模型.在概率统计平均的意义上重新解释传统的两个随机变量干涉分析的基本概念及模型,将干涉模型解释为载荷加权平均模型.具体地讲,就是将应力-强度干涉模型解释、拓展为强度超越(载荷)概率的(载荷)统计加权平均模型,或给定应力下的条件失效概率的随机载荷加权平均模型.这样,传统上只能应用于相同量纲随机变量(例如应力与强度)的干涉模型就可以拓展应用于具有不同量纲随机变量(例如应力与寿命)的情形,例如随机载荷下的疲劳失效概率(寿命小于指定值的概率)或可靠度(寿命大于指定值的概率)计算.应用这样的模型,可以很方便地根据几个确定性恒幅循环载荷下的疲劳寿命分布,预测随机恒幅循环载荷作用下的疲劳失效概率或可靠度.     

运用系统仿真技术进行结构疲劳可靠性分析研究

本项研究拟运用计算机智能仿真技术，进行结构疲劳可靠性寿命评价。运用神经网络模拟材料性能变化。通过ＢＰ网络。建立载荷级、损伤参量及材料性能对应关系。采用随机离散仿真方法，建立材料疲劳失效可靠性分析仿真系统。依据塑变幅累积临界值分布抽样及随机加载，通过仿真试验统计分析求出寿命分布。     

系统共因失效概率分析的非经验模型

根据载荷强度干涉理论,探讨了系统共因失效发生及作用机理,揭示了元件强度统计独立时由系统共因载荷引发元件失效相关的基本规律。采用相关系数建立了共因载荷随机变量方差、元件强度随机变量方差以及失效相关程度之间的近似关系,并导出系统共因失效概率定量分析的非经验模型。针对系统低阶共因失效数据已知而系统载荷分布及元件强度分布未知的现实条件,提出了计算系统共因失效概率的实用方法。该模型与方法直接体现了共因失效内在机理,克服了传统模型过多依赖历史数据或主观经验而忽略共因失效发生及作用规律的局限,为冗余系统风险数据分析、概率预测,特别是可靠性设计提供了新途径。     

系统共因失效概率分析的非经验模型

根据载荷-强度干涉理论,探讨了系统共因失效发生及作用机理,揭示了元件强度统计独立时由系统共因载荷引发元件失效相关的基本规律。采用相关系数建立了共因载荷随机变量方差、元件强度随机变量方差以及失效相关程度之间的近似关系,并导出系统共因失效概率定量分析的非经验模型。针对系统低阶共因失效数据已知而系统载荷分布及元件强度分布未知的现实条件,提出了计算系统共因失效概率的实用方法。该模型与方法直接体现了共因失效内在机理,克服了传统模型过多依赖历史数据或主观经验而忽略共因失效发生及作用规律的局限,为冗余系统风险数据分析、概率预测,特别是可靠性设计提供了新途径。      

考虑疲劳本构随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法

提出考虑疲劳本构关系随机性的结构应力疲劳可靠性分析方法。视循环本构模型的材料常数为相关随机变量,考虑存活概率和置信度2个概率测度,与疲劳试验有机结合,应用极大似然原理建立随机疲劳本构的概率模型。随机疲劳强度即概率S－N关系也用2个概率测度下表征,并考虑从中短到长寿命阶段的可能工程实践范围。基于载荷史服从疲劳本构关系产生随机应力载荷、给定寿命时概率S－N关系揭示结构强度分布的观点,建立随机应力载荷—强度干涉可靠性分析模型,可实现任意概率水平的可靠性寿命预测和可靠度评定。中国铁路货车RD2型车轴的可靠性寿命预测和可靠性评定,说明了方法的有效性。     

考虑强度退化的零件及系统可靠性分析

指出传统载荷-强度干涉模型适用于载荷作用一次或者静态的零件可靠度计算.零件的强度是随机载荷大小和作用次数的函数,所以假设载荷和强度相互独立的干涉模型无法用于计算考虑强度退化时零件及系统的可靠度.通过随机载荷的统计特性建立强度与随机载荷的关系.当载荷历程为泊松过程时,分析零件的可靠性和失效率与时间的关系,并建立考虑共因失效时串联系统和并联系统的可靠性模型.研究表明,零件初始强度的分散性对零件的可靠度和失效率有很大影响,载荷的相关性使并联系统的可靠度降低,使串联系统的可靠度升高.     

应变疲劳可靠性分析的新进展与展望

应力分析较难考虑材料本构分散性和适用于弹塑性条件.未来解决结构失效问题趋向于应用应变知识.应变疲劳可靠性分析是其中的重要问题之一.现有方法仅适于缺乏试验数据时的近似分析.近期完成的一系列试验与理论研究,揭示了材料的循环应力—应变(CSS)响应存在分散性.从宏微观结合角度提出了“有效短裂纹准则”,较好地揭示了疲劳损伤及其演化的机制,说明了产生这一分散性的本质原因.考虑所有材料常数的随机性和相关性,提出了描述随机CSS响应与循环应变—寿命关系的统计模型.进一步考虑应变载荷—强度干涉,建立了新的基本分析方法.值得进一步研究的重要课题是,建立考虑平均应变/应力和多轴效应的方法,以及建立新的基于短裂纹行为理论的概率应变损伤容限设计与安全评价方法.     

考虑部件失效相关的履带车辆传动箱可靠性分析

在以履带车辆传动箱为对象进行研究的过程中,考虑部件间失效相关这一重要失效形式对传动箱可靠性的影响,利用部件的动态可靠度模型计算主要失效部件的可靠度,结合部件寿命分布函数与可靠性间的关系,得到传动箱内主要部件的寿命分布函数随时间变化的曲线,进一步使用最小二乘法估算出主要零部件的寿命分布函数。在此基础上,绘制部件间的二元频率直方图,选择合适的Copula函数,建立在部件失效相关条件下的传动箱系统可靠性模型,利用Copula函数可以避免运算的繁琐性及部件间相关系数求解的复杂性。使用逐层分块分析法合理划分传动箱系统结构,并用Matlab软件估算部件间相关参数,得到了传动箱系统寿命分布函数随时间及部件失效相关参数的变化规律,对传动箱的设计与维护具有一定的指导意义。     

铁路救援起重机伸缩式吊臂结构的疲劳可靠性分析

在现实生产作业环境中一些工程构件和机械零部件总是承受着变载荷的作用,并且在众多的破坏模式当中疲劳破坏是一种常见的模式。因此很有必要将疲劳学作为一项重要学科进行研究。分析研究了160 t铁路救援起重机伸缩壁板壳结构系统的不同可靠性模型对疲劳寿命的影响,探讨了结构系统串联和并联系统的可靠性。对结构系统疲劳失效模式进行举例,并对单个失效模式的破坏概率进行计算和整个系统失效概率进行求解。     

多部位损伤结构概率疲劳寿命预测方法与模型

结构疲劳失效是一种具有高度不确定性的现象,多部位损伤结构疲劳失效更是如此。含有多个薄弱环节(通常是可能发生损伤的高应力部位)的结构相当于多个只含有单一损伤部位的单元串联构成的系统。应用精确的系统可靠性建模方法,用各损伤部位疲劳寿命的次序统计量和极值统计量表示结构寿命分布,建立了多部位损伤结构的概率寿命预测模型。这样建立的模型自然地反映了不同损伤部位之间的失效相关性。试验结果及算例均显示,多部位损伤结构的疲劳寿命明显低于按其中一个损伤部位(即便是最薄弱部位)计算的寿命。     

机床中冗余结构随机失效机理研究

研究机床中悬臂焊接机械结构失效机理,在所建立受均布载荷的悬臂焊接结构失效后的激振载荷模型的基础上,基于均值一次二阶矩法对其进行了可靠性分析,并基于单元生死技术对其失效前后进行了有限元分析,揭示了焊接结构焊接失效对其由于载荷重新分布而引起振动的影响机理,为探讨冗余结构随机失效机理提供了分析方法和依据。     

零件失效相关表决系统Copula可靠性模型

零部件失效相关是降低冗余系统可靠性的重要原因.从分解零部件失效相关结构和寿命边缘分布的角度,综合考虑了k/n(G)表决系统中导致失效相关的两类因素:共因失效和从属失效.运用Copula函数的相关性理论,建立了零部件失效相关的k/n(G)系统可靠度计算模型.因为无需确定零部件寿命向量的联合密度函数,且用低重差分运算替代了多重积分运算,反映了模型的简捷性和实用性.通过系统可靠度随零部件数目的变化曲线,验证了Copula可靠度理论的合理性;给出了模型中相关程度参数估计的两种统计方法.最后,算例说明了模型的有效性.     

多状态系统共因失效机理与定量分析

共因失效是由共同诱因引发的相关失效形式,普遍存在于各类系统,当前研究仅限于二态系统。该文针对存在共因失效的串并联不可修系统,探讨共因失效的发生与作用机理,基于载荷离散化方法和概率发生函数建立多状态系统可靠性定量评估模型,新模型可反映在失效共因下元件部分失效及其累积效应对系统各级性能的影响。研究表明,元件因失效共因而统计相关时,各元件状态趋同的概率增大,而取异值的概率减小,对系统可靠度分析产生影响。载荷离散化模型实现系统共因失效相关性的近似解耦,发生函数法能以统一的程序方式快捷处理概率组合问题。提出的模型为多状态系统共因失效及可靠性研究提供新途径。