管道、钢缆类系统可靠性建模若干关键问题的研究

论文摘要

在实际工程中有这样一类一维长度很大的工程结构对象（可以看作是“连续系统”）,如飞机液压系统中的管道、天然气石油管道、悬浮桥上的钢缆等。对其进行可靠性分析与评价时,如果简单地将其看作一个元件,显然难以对这样的对象进行计算或实验,无法准确给出其可靠性指标,然而将其作为一个系统,又没有明显的“元件”的概念。尤为关键的是把连续系统作为一个串联系统进行可靠性分析时,就要考虑其各部分（管段）的失效相关性,传统独立失效假设下的串联系统可靠性模型不再适用。同时与管道类连续系统类似的是关于钢缆的失效概率问题,除了将钢缆整体直接看成像管道类连续系统来研究之外,通常的做法是将其分成由单根钢丝组成的存在载荷分担、载荷传递（即载荷共享）的并-串联系统来研究。因此,传统的并联相关失效系统的可靠性模型已经不再适用,需要建立新的钢缆类并联系统的可靠性模型。本文以管道、钢缆等复杂系统的可靠性建模为背景,重点分析其可靠性建模的方法,并解决了可靠性建模过程中的相关失效、载荷多次作用、强度退化、单元划分原则、连续系统可靠性有界性、载荷传递、累积损伤等关键问题。具体研究成果如下：（1）将管道类连续系统离散成由若干虚拟单元组成的串联系统,在不作独立失效假设下,应用系统级的应力-强度干涉模型建立了管道类相关失效系统的可靠性SC模型。所建立的SC模型能够反映单元间的相关失效的影响以及连续系统强度的二重分散性（材料的自身不均匀性以及材料制造质量的不稳定性）。然后,应用Monte Carlo方法相对于传统试验的优势对建立的相关失效系统可靠性模型进行仿真验证,证明本文所建立模型是合理正确。（2）在SC模型（静态可靠性模型）的基础上,从管道类连续系统整体的角度入手,通过应用泊松随机过程模拟载荷的多次随机作用并考虑强度的退化,建立管道类相关失效连续系统的时变可靠性模型（动态可靠性模型）。研究表明：所建立的时变可靠性模型的失效率曲线具有浴盆曲线的三个典型特征。（3）在单元强度服从Weibull分布的前提下,应用“参数变换方法”确定了连续系统单元划分原则,即可以把试样长度当作等效的单元长度来确定连续系统强度的分布,并进行了数学证明。同时模拟了连续系统可靠度随连续系统长度的变化规律,研究了连续系统可靠度的下限值问题。（4）基于损伤等效原则转换由于载荷的传递引起的不同寿命分布的等效工作时间,并分步计算并联系统可靠度,应用全概率公式对钢缆类相关失效系统进行疲劳寿命可靠性建模,并与基于等概率转换的并联系统疲劳寿命可靠性模型进行对比分析。（5）根据Miner疲劳累积损伤理论,建立了疲劳累积损伤可靠性模型。考虑零件的强度服从符合实际情况的Weibull分布或对数正态分布,应用Monte Carlo法模拟系统可靠度随时间的变化曲线,同时推导出零件寿命服从对数正态分布时并联系统可靠度显式表达,建立变应力作用下疲劳累积损伤可靠性模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究及发展现状
• 1.2.1 可靠性工程研究历史及应用现状
• 1.2.2 相关失效分析的发展及研究现状
• 1.2.3 管道类连续系统可靠性建模理论的研究现状
• 1.2.4 钢缆类系统可靠性建模理论的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 应力-强度干涉分析
• 2.1 分布的应力与强度
• 2.2 零件可靠度计算的主要方法
• 2.2.1 应力—强度干涉模型
• 2.2.2 Monte Carlo方法计算零件的可靠度
• 2.3 系统相关失效机理分析
• 2.4 基于条件概率思想的相关失效系统可靠性模型
• 2.5 相关失效系统可靠性模型的扩展
• 2.5.1 各零件承受不同载荷的系统可靠性模型
• 2.5.2 由不同零件构成的系统可靠性模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 管道类相关失效连续系统单元化可靠性模型
• 3.1 管道类连续系统的最弱连接模型
• 3.2 基于最小次序统计量思想的相关失效系统可靠性模型
• 3.3 连续系统材料强度的二重分散性
• 3.4 考虑相关失效的管道类连续系统可靠性模型
• 3.5 管道类独立失效连续系统可靠性模型的信息遗失
• 3.6 Monte Carlo仿真验证模型
• 3.7 管道类相关失效连续系统时变可靠性模型
• 3.7.1 只考虑强度退化的连续系统的可靠性模型
• 3.7.2 考虑载荷作用次数的连续系统时变可靠性模型
• 3.8 本章小结
• 第4章 管道类连续系统强度分布的确定方法与可靠度计算
• 4.1 连续系统强度的Weibull表达式
• 4.2 连续系统强度分布的确定方法
• 4.2.1 连续系统单元划分原则的确定
• 4.2.2 试样尺寸/单元数量的确定
• 4.3 Weibull参数估计与分布类型检验
• 4.3.1 数据分析
• 4.3.2 参数估计
• 4.3.3 分布类型检验
• 4.4 连续系统可靠度计算与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 钢缆类系统可靠性建模理论与方法
• 5.1 模型简化与分析
• 5.2 基于应力-强度干涉模型的钢缆类系统的可靠性建模
• 5.2.1 载荷的重新分布
• 5.2.2 钢缆类相关失效系统的可靠性建模
• 5.3 基于损伤等效方法的钢缆类系统疲劳寿命可靠性模型
• 5.3.1 损伤等效转换法
• 5.3.2 钢缆类相关失效并联系统的可靠性模型
• 5.3.3 应用实例分析
• 5.3.4 Monte Carlo仿真验证
• 5.4 钢缆类系统疲劳寿命可靠性模型的修正
• 5.5 钢缆类系统的疲劳累积损伤可靠性模型
• 5.5.1 常应力疲劳累积损伤可靠性模型
• 5.5.2 变应力疲劳累积损伤可靠性模型
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间获得奖励与荣誉
• 附录B 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介