可靠性設(shè)計(jì)的基本概念與方法資料

1、4 6 可靠性設(shè)計(jì)的基本概念與方法 一、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)概念1可靠性含義 可靠性是指一個(gè)產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力； 而一個(gè)工 業(yè)產(chǎn)品 (包括像飛機(jī)這樣的航空飛行器產(chǎn)品 )由于內(nèi)部元件中固有的不確定因素 以及產(chǎn)品構(gòu)成的復(fù)雜程度使得對(duì)所執(zhí)行規(guī)定功能的完成情況及其產(chǎn)品的失效時(shí) 間(壽命) 往往具有很大的隨機(jī)性，因此，可靠性的度量就具有明顯的隨機(jī)特征。 一個(gè)產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)規(guī)定功能的概率就稱為該產(chǎn)品的可靠度。 作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性問題， 從定義上講可以理解為： “結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用載荷 環(huán)境作用下及規(guī)定的時(shí)間內(nèi)， 為防止各種失效或有礙正常工作功能的損傷， 應(yīng) 保持其必要的

2、強(qiáng)剛度、 抗疲勞斷裂以及耐久性能力。 ”可靠度則應(yīng)是這種能力的 概率度量， 當(dāng)然具體的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的。 例如，結(jié)構(gòu)元件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜強(qiáng)度 可靠性是指結(jié)構(gòu)元件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度大于工作應(yīng)力的概率， 結(jié)構(gòu)安全壽命的可 靠性是指結(jié)構(gòu)的裂紋形成壽命小于使用壽命的概率； 結(jié)構(gòu)的損傷容限可靠性則一 方面指結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度大于工作應(yīng)力的概率， 另一方面指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的未修使用期 間內(nèi)，裂紋擴(kuò)展小于裂紋容限的概率 可靠性的概率度量除可靠度外， 還可有其 他的度量方法或指標(biāo)，如結(jié)構(gòu)的失效概率 F(c) ，指結(jié)構(gòu)在時(shí)刻之前破壞的概 率；失效率A().指在時(shí)刻以前未發(fā)生破壞的條件下，在時(shí)刻的條件破壞概率密度；平均無故障時(shí)

3、間 MTTF(Mea nTimeToFailure)，指從開始使用到發(fā)生故障 的工作時(shí)間的期望值。除此而外，還有可靠性指標(biāo)、可靠壽命、中位壽命，對(duì)可 修復(fù)結(jié)構(gòu)還有維修度與有效度等許多可靠性度量方法。2. 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)的基本過程與特點(diǎn) 設(shè)計(jì)一個(gè)具有規(guī)定可靠性水平的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品， 其內(nèi)容是相當(dāng)豐富的， 應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn) 品的預(yù)研、分析、設(shè)計(jì)、制造、裝配試驗(yàn)、使用和管理等整個(gè)過程和各個(gè)方面。 從研究及學(xué)科劃分上可大致分為三個(gè)方面。(1) 可靠性數(shù)學(xué)。主要研究可靠性的定量描述方法。概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)過 程等是它的重要基礎(chǔ)。(2) 可靠性物理。研究元件、系統(tǒng)失效的機(jī)理，物理成固和物理模型。不同研究 對(duì)象的

4、失效機(jī)理不同， 因此不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)可靠性物理研究的方法和理論基礎(chǔ)也 不同(3) 可靠性工程。它包含了產(chǎn)品的可靠性分析、預(yù)測(cè)與評(píng)估、可靠性設(shè)計(jì)、可靠 性管理、可靠性生產(chǎn)、可靠性維修、可靠性試驗(yàn)、可靠性數(shù)據(jù)的收集處理和交換 等從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到產(chǎn)品退役的整個(gè)過程中， 每一步驟都可包含于可靠性工程之 中。由此我們可以看出， 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)僅是可靠性工程的其中一個(gè)環(huán)節(jié)， 當(dāng)然也是 重要的環(huán)節(jié)， 從內(nèi)容上講， 它包括了結(jié)構(gòu)可靠性分析、 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可 靠性試驗(yàn)三大部分。結(jié)構(gòu)可靠性分析的過程大致分為三個(gè)階段。一是搜集與結(jié)構(gòu)有關(guān)的隨機(jī)變量的觀測(cè)或試驗(yàn)資料， 并對(duì)這些資料用概率統(tǒng)計(jì)的 方法進(jìn)行分析， 確定

5、其分布概率及有關(guān)統(tǒng)計(jì)量， 以作為可靠度和失效概率計(jì)算的 依據(jù)。二是用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計(jì)算構(gòu)件的載荷效應(yīng)，通過試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)獲得結(jié)構(gòu)的能力， 從而建立結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則.三是計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可靠性的各種指標(biāo)。當(dāng)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效準(zhǔn)則建立以后， 便可根據(jù)這些準(zhǔn)則，計(jì)算評(píng)價(jià)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的各種可靠性指標(biāo)， 如可靠度、失 效概率等。結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展目前還不盡完善。 這是因?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)必須掌握各類 設(shè)計(jì)因素的真實(shí)概率特性，因而需要有原始資料的積累，需要大量的數(shù)據(jù)資源， 而它的獲取必須來自于大量的可靠性試驗(yàn)。這一工作尚屬起步階段，尚未形成統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范，但可靠性設(shè)計(jì)作為一種設(shè)計(jì)思想在現(xiàn)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已

6、有 所體現(xiàn)，如：可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立，系統(tǒng)可靠度的分配方法等。目前的可靠性 設(shè)計(jì)工作多是通過靜強(qiáng)剛度設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)、損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)等規(guī)范 獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，再利用可靠性分析方法來評(píng)價(jià)其可靠性程度，因此掌握結(jié)構(gòu)可靠性分析評(píng)價(jià)技術(shù)與方法就顯得十分重要了， 而真正建立起完整的結(jié)構(gòu)可靠性 設(shè)計(jì)體系尚有待今后工作的積累與發(fā)展。 但可以預(yù)料，任何一種新的設(shè)計(jì)思想應(yīng) 當(dāng)是對(duì)舊的設(shè)計(jì)體系的完善與揚(yáng)棄，因此由結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)思想而產(chǎn)生的各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、 方法在很大 程度上與其他舊設(shè)計(jì)體系的內(nèi)容在原則上應(yīng)是一致的， 女口：多路傳力和多重元件 設(shè)計(jì)不僅是損傷容限設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則之一，這樣的結(jié)構(gòu)體系必然可靠度就高，也

7、會(huì)成為結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)原則之 一:再例如結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)中的等應(yīng)力工程準(zhǔn)則， 在可靠性設(shè)計(jì)中則表現(xiàn)為 系統(tǒng)中各元件的可靠性指標(biāo)也應(yīng)大致相近等。結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)是為了分析、驗(yàn)證與定量評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)而進(jìn)行的各種試驗(yàn) 的總稱。結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)的目的是為了獲得結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境下工作時(shí)的真實(shí)的可靠性指 標(biāo)，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和使用提供資料；同時(shí)通過試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)， 改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝和使用方法，以提高結(jié)構(gòu)的可靠度。二、結(jié)構(gòu)可靠性分析方法概述1 .安全余量方程進(jìn)行結(jié)構(gòu)元件可靠性分析評(píng)估時(shí)，需要建立起元件設(shè)計(jì)變量與元件能力表征量間 的分析關(guān)系，這類似于確定性分析設(shè)計(jì)中的工程破壞判據(jù)， 但可靠性

8、分析是建立 在隨機(jī)變量的分析基礎(chǔ)之上。這個(gè)概率型的聯(lián)系設(shè)計(jì)變量與結(jié)構(gòu)元件固有性能表 征量間的“破壞判據(jù)”，通常稱為元件的安全余量方程或破壞面方程。以下結(jié)合 結(jié)構(gòu)元件的工程設(shè)計(jì)問題，舉例說明各種形式的安全余量方程。 討論結(jié)構(gòu)元件的 靜強(qiáng)度可靠性時(shí)，可初步認(rèn)為只有兩個(gè)隨機(jī)變量，即元件的強(qiáng)度只和元件的內(nèi)力 s .元件的強(qiáng)度由于材料的強(qiáng)度特性、元件尺寸等不確定因素呈隨機(jī)性；而元件 所承受的內(nèi)力由于作用載荷的隨機(jī)性以及元件尺寸與元件在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所處的 位置等不確定因素顯然是隨機(jī)變量。如果元件能夠承載，則表示了元件的安全余量，故稱為安全余量方程， 可靠度定義為元件能可靠承載的概率，故可表示為0）元件不能承

9、載，即(4. SOL)M = 1? - S 0則元件的失效概率可表示為:(L GOc>Pf 円 PR-S<=1(4.60d>上述的安全余量（邊界）方程是線性的（如圖4, 53（a）所示），但要求解安全余量 方程的概率 可靠性概率或失效概率）則需要依據(jù)方程中各變量的概率分布函數(shù) 以及變量間概率分布的干涉特征來確定（如圖4. 53（b）。當(dāng)變量的概率密度函 數(shù)形式簡單且具有可和性時(shí)，我們可直接通過變量的概率分布獲得安全余量的概 率分布，此時(shí)可靠性概率的計(jì)算就比較容易了.團(tuán) 153:為*至屯屛勺譽(yù)全I(xiàn)E城 門）買廳與肉丿的概率密度函放族市結(jié)構(gòu)元件的疲勞強(qiáng)度可靠性同樣可表示為 4.

10、60式的安全余量形式，只是只應(yīng)理 解為元件的疲勞強(qiáng)度；s理解為循環(huán)交變載荷。當(dāng)然，這里 R與S的物理隨機(jī)性 質(zhì)與載荷概率特性與靜強(qiáng)度問題的差別就大相徑庭了。結(jié)構(gòu)元件中疲勞損傷累積的安全余量方程可表示為(4.61)式中，0/ =刀之（參見4. 3節(jié)），0，則為材料的臨界損傷閥值，與材料冷、熱 加工中眾多不確 = I ''/ A定因素相關(guān)，故是隨機(jī)變量。表示結(jié)構(gòu)元件在一定載荷譜下不發(fā)生疲勞破壞的可靠性概率即為Rr =<0?含I型裂紋結(jié)構(gòu)元件剩余強(qiáng)度的安全余量可表示為M= Kt K1C<4.63)式中，Ki為應(yīng)力強(qiáng)度因子，與元件的幾何構(gòu)形、裂紋形態(tài)與長度、外加載荷的 作用

11、形式及位置等諸多隨機(jī)因素有關(guān)；Klcp為平面應(yīng)變斷裂韌性，是一材料條 件常數(shù)，與元件幾何、材料基本性能、載荷作用條件等隨機(jī)因素有關(guān)。由剩余強(qiáng)度表征的含裂結(jié)構(gòu)元件損傷容限安全余量的可靠性即為Rr =<0)(4.645仔細(xì)分析上述三類問題的安全余量方程可以發(fā)現(xiàn)， 如果能夠直接獲取這些變量的 概率分布特征，安全余量的可靠性并不難計(jì)算。但這些變量的概率分布特征需要 大量的資料、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來，而且許多變量并不是直接可測(cè)的， 需要直接測(cè)量的 轉(zhuǎn)換。這樣我們就需要把影響這些變量的諸多因素顯式地表達(dá)出來。另一方面， 上述三類問題中的安全余量函數(shù)不顯含設(shè)計(jì)變量，致使這類問題的可靠性設(shè)計(jì)意 義降低。因此，我

12、們需要尋找更復(fù)雜的安全余量表達(dá)式，能夠包括更多需要考慮的設(shè)計(jì)變量，這就導(dǎo)致了更為一般的非線性安全余量函數(shù)。2 應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型是可靠性分析的重要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)， 給出了兩獨(dú)立概率變量在任 意已知概率分布下的可靠性概率計(jì)算理論式。 當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用上并不局限于應(yīng)力 與強(qiáng)度這兩類隨機(jī)變量。將圖4. 53(b)的干涉區(qū)域放大，即如圖4. 54。由概率論知識(shí)，我們可以獲得結(jié) 構(gòu)元件強(qiáng)度大于應(yīng)力的可靠性概率為干掙區(qū)就大制曲1, si 仇 與人處布側(cè)十涉區(qū)放天圈應(yīng)當(dāng)指出應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型揭示了概率設(shè)計(jì)的本質(zhì)。 從干涉模型可以看到，就 統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)觀點(diǎn)而盲，任何一個(gè)設(shè)計(jì)通常都存在著失效概率，即可靠度

13、小于 1，而 我們?cè)O(shè)計(jì)能夠做到的僅是將失效概率限制在一個(gè)可以接受的限度之內(nèi)， 該觀點(diǎn)在 常規(guī)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)法中是不明確的?？煽啃栽O(shè)計(jì)的這一重要特征客觀地反應(yīng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和運(yùn)行的真實(shí)情況，同時(shí)還定量地給出了產(chǎn)品在使用中的失效概率或可 靠度，因而受到重視與發(fā)展。3 可靠性指標(biāo)在研究應(yīng)力一強(qiáng)度兩類變量均為獨(dú)立正態(tài)分布情況下的可靠性概率計(jì)算問題中 運(yùn)用變量代換，可使可靠性概率轉(zhuǎn)化為一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布即N（0, ”的積分:不少文獻(xiàn)將上式的積分上限定義為可靠性指標(biāo) A,即式中兒丸，分別為強(qiáng)度、應(yīng)力兩隨機(jī)變量的均值與方差。失效概率此時(shí) 可表示為P, = 1 -=毗一於由此可以看出，在分析線性安全余量方程且變量

14、間服從正態(tài)分布的可靠性概率 時(shí)，可靠性指標(biāo)"與可靠度失效概率一樣，可表征可靠性程度。對(duì)于非線性安全 余量、變量不服從正態(tài)分布的情況，可將非線性安全余量在設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)近似展開 成線性關(guān)系，井可將非正態(tài)分布變量轉(zhuǎn)換成正態(tài)分布變量。因此，可靠性指標(biāo)"在可靠性分析中的實(shí)用意義很大。表4.8列舉一些典型數(shù)據(jù)，以便對(duì)"與Pz, R.的 關(guān)系有一個(gè)量級(jí)的概念.寰4丄 0呂片.磯關(guān)孫的興型值r00.5L01.52.02. 53.04GO九咖5Q. 1S3 70, DCO 30. &22 B0.90,001 4.O'3S7ft.L3LD.AA1 56 K4L 3Ol

15、$7? ?0,仍2厲罪;1 fl0.99b BIX 7視中Q0*翊=.000 032“ =.*« K7 3”基帝売惟r4. 可靠度與安全系數(shù)傳統(tǒng)意義上的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)法從概率觀點(diǎn)上可理解為概率變量（強(qiáng)度與應(yīng)力）的均值化設(shè)計(jì)。那么，它所獲得的可靠性效益如何呢？我們先看一算例。設(shè)一 拉桿的設(shè)計(jì)安全系數(shù)/= 1 5,原設(shè)計(jì)為滿應(yīng)力設(shè)計(jì)，且假定強(qiáng)度和應(yīng)力服從正 態(tài)分布，其變異系數(shù)分別為 Vx=:二o. 1，y，= Ii二o. 1s，需求拉桿的強(qiáng)度 可靠度只：。由題義知a N 療=妲二坐.=一=2b 357(4* G9)?拓門卞v7W4專加TH磚R* =形® =山曲卩 788比一

16、敘一® 土 0. 009 312若安全系數(shù)/= 1,貝二 o,只。=o. 5, /= o. 8,貝=一 1. 1765, R: = o. 119 &由此可見：1) 在/二l時(shí)，只有50%的可靠性，且與R和s的分散程度無關(guān)，2) / >1時(shí)，并不能保證元件100%安全.3) /<1時(shí)，并不能肯定元件100%破壞。從計(jì)算式中還可看出提高/、減小變異系數(shù) vx及ys，均可提高元件的可靠度。 經(jīng)常我們對(duì)上例計(jì)算中的反問題感興趣，希望知道如果給定結(jié)構(gòu)元件的可靠性指 標(biāo)，傳統(tǒng)的安全系數(shù)應(yīng)取多大合適。由式(4 . 69)可反解出1 “V廠丸J三西輕-1二問5. 復(fù)雜問題的可靠性

17、分析方法概述當(dāng)我們研究多個(gè)隨機(jī)因素集合的可靠性分析問題時(shí)，復(fù)雜程度就大大增加了.-般說來，多隨機(jī)變量的可靠性分析的復(fù)雜性涉及兩個(gè)方面， 其一由多個(gè)隨機(jī)變量 構(gòu)成的安全余量方程一般是非線性的；其二多個(gè)隨機(jī)變量的各自概率分布函數(shù)并 不總是正態(tài)分布的，而且變量間又往往具有強(qiáng)烈的相關(guān)特性。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜可靠 性分析總是從數(shù)學(xué)上可描述為一個(gè) n維重積分，即(4.73)式中,n重積分的積分域即由安全余量方程胃5,工”1工J >0(4 72)所定義的區(qū)域。/ (五，1)為”個(gè)隨機(jī)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)。復(fù)雜問 題的可靠性分析方法正是圍繞計(jì)算式(4 . 72)積分式而展開的，研究成果頗多， 限于篇幅不再作

18、深入介紹，有興趣讀者可參考有關(guān)的專著或技術(shù)文獻(xiàn)。6. 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析方法前面介紹的僅是結(jié)構(gòu)元件的可靠性分析基本要領(lǐng)與方法，都是針對(duì)一個(gè)極限狀態(tài) 函數(shù)定義的單個(gè)失效模式的情況。 但實(shí)際工程結(jié)構(gòu)體系卻非常復(fù)雜，由諸多構(gòu)件 組成，復(fù)雜構(gòu)件又有許多不同的截面，因此結(jié)構(gòu)體系中同時(shí)存在著可能導(dǎo)致系統(tǒng) 失效的彼此相聯(lián)系的多個(gè)失效模式。 此外，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，每個(gè)失效模 式中又都存在著若干失效元件。顯然簡單應(yīng)用前面所介紹的分析方程尚無法解決 結(jié)構(gòu)體系的可靠性評(píng)價(jià).嚴(yán)格地說尸個(gè)結(jié)構(gòu)體系才是一個(gè)完整的產(chǎn)品，因此研究 結(jié)構(gòu)體系的可靠性評(píng)價(jià)問題是非常重要的。 進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的可靠性分析，首先要 了解結(jié)構(gòu)體系

19、的自身特點(diǎn)以及失效破壞過程的特征，如：工程結(jié)構(gòu)體系多為高度靜不定系統(tǒng)， 靜不定系統(tǒng)的承載能力與結(jié)構(gòu)的破壞 模式有關(guān)，而大型結(jié)構(gòu)體系的破壞模式眾多，要分析其可靠度必須枚舉出所有的主要破壞模式；盡管單個(gè)破壞模式相應(yīng)的破壞概率比較容易求出，且各個(gè)破壞 模式之間可視作串聯(lián)關(guān)系，但各破壞模式是相關(guān)的，在計(jì)算結(jié)構(gòu)體系可靠度只5時(shí)必須考慮各破壞模式之間的相關(guān)性；組成結(jié)構(gòu)體系的元件的材料通常是彈塑 性的，這造成了在加載過程中結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各元件之間內(nèi)力分配在變化，計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度可靠性時(shí)必須考慮彈塑性效應(yīng)等等.大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠性分析主要 包括下述三項(xiàng)內(nèi)容：枚舉結(jié)構(gòu)體系的主要失效模式；列出各主要失效模式的 安全

20、余量方程，并計(jì)算其相應(yīng)的失效概率；由各主要失效模式的失效概率， 綜 合計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的失效概率Pj和可靠度R, 三、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)概述剛度等要求均可轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的可靠性要求。 故可1 結(jié)構(gòu)元件的可靠性設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)元件的每一個(gè)常規(guī)的強(qiáng)度、 靠性設(shè)計(jì)可表示為底 > R：(4* 73)式中R；元杵的可菲性婆求I兄 一所設(shè)計(jì)元件的可靠度”由殳計(jì)后經(jīng)分析或試臉得到*結(jié)構(gòu)元件可靠性設(shè)計(jì)在某種意義上是元件可靠度計(jì)算的逆問題.以應(yīng)力、強(qiáng)度問題的可靠性指標(biāo)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為例可知式屮 尹一可靠悝敢計(jì)購可幕度要取所對(duì)應(yīng)的可靠性指標(biāo)"我們能夠建立起應(yīng)力均值從及應(yīng)力方差咭與設(shè)計(jì)變量均值 (設(shè)為"的關(guān)系，即

21、g = fg A h仏力時(shí)求解該非線性方程，可得出相應(yīng)設(shè)計(jì)變量的均值取值范圍， 設(shè)計(jì)變量的均值就是 通常工程設(shè)計(jì)上的名義值。至于安全壽命、損傷容限等其他可靠性設(shè)計(jì)問題在原 理上是一致的，只是一般難以獲得解析解，但就一般工程設(shè)計(jì)而言，只要有一定 精度的數(shù)值解也就足夠了，不必有精確的解析解。2 結(jié)構(gòu)體系可靠性設(shè)計(jì)的原則方法電子系統(tǒng)和一般的系統(tǒng)工程的可靠性設(shè)計(jì)通常采用的是可靠性指標(biāo)分配法，但是結(jié)構(gòu)體系的可靠性設(shè)計(jì)一般不宜采用這一方法，這是因?yàn)椋?1) 結(jié)構(gòu)體系中的元件通常不能簡單地簡化為串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而可靠性指標(biāo)分配法則是在串聯(lián)、并聯(lián)逐級(jí)組合而成的系統(tǒng)上建立與發(fā)展起來的，所以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用這一方法

22、是不適宜的；(2) 每當(dāng)結(jié)構(gòu)體系內(nèi)有一個(gè)元件達(dá)到臨界狀態(tài)后，體系內(nèi)務(wù)元件的內(nèi)力通常將發(fā)生變化，如若不考慮因元件失效而帶來的內(nèi)力重新分配對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的影響，則此可靠性分析的結(jié)果必將精度很低，通常已沒有意義；(3) 在計(jì)算結(jié)構(gòu)體系的可靠度時(shí)，必須考慮結(jié)構(gòu)元件之間的相關(guān)性以及各失效模 式之間的相關(guān)性，如若略去這種相關(guān)性，則計(jì)算精度很低；(4)結(jié)構(gòu)體系的破壞是由任意一個(gè)失效模式的出現(xiàn)而引起的，各失效模式通常可以認(rèn)為是串聯(lián)的，但任何一個(gè)失效模式的發(fā)生所涉及的若干個(gè)臨界元件則并不存在簡單的并聯(lián)關(guān)系， 必須考慮失效歷程各階段的內(nèi)力變化。因此結(jié)構(gòu)體系的可靠性設(shè)計(jì)必須是以結(jié)構(gòu) 整體來考慮的，而不只是以結(jié)構(gòu)體系中

23、的某個(gè)元件或某個(gè)局部來考慮，結(jié)構(gòu)體系的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則同樣可表述為式中，片s是結(jié)構(gòu)體系的可靠度，可以通過對(duì)結(jié)構(gòu)體系的分析、試驗(yàn)等方法得到, R/是結(jié)構(gòu)體系的可靠度要求。這一準(zhǔn)則同樣可應(yīng)用于強(qiáng)度、剛度、疲勞、斷裂 等。由此可見，以結(jié)構(gòu)整體為對(duì)象的可靠性設(shè)計(jì)可利用結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 來解決.對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)，通常以結(jié)構(gòu)重量最小作為目標(biāo)函數(shù)， 則其可靠性優(yōu)化問 題的基本方程可表示為：誹燈寰樽：耳亠 Un 號(hào)* 叭q冃標(biāo)蘭舉：-I,(4.77)A(r) 0式(4 . 77)可用優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般方法求解。3 結(jié)構(gòu)體系的可靠性設(shè)計(jì)評(píng)估在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案設(shè)計(jì)階段，精確計(jì)算各遴選方案的結(jié)構(gòu)體系的可靠度是十分困 難和費(fèi)時(shí)的，實(shí)際上也是不必要的。通常情況下，只需知道各方案的結(jié)構(gòu)體系的 可靠性等級(jí)，以作為比較不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一， 下面主要介紹結(jié)構(gòu)體系 余度概念在結(jié)構(gòu)體系可靠性評(píng)估中的使用。目前對(duì)結(jié)構(gòu)體系余度尚無公認(rèn)的統(tǒng)一定義， 其基本含義是指結(jié)構(gòu)體系能夠承受體 系內(nèi)元件失效能力的一種度量。結(jié)構(gòu)體系的破壞可歸結(jié)為兩大類：由于出現(xiàn)了超過設(shè)計(jì)載荷的非預(yù)期的過大載 荷而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系的整體破壞，如大地震、特大暴風(fēng)雪等，這一類破壞實(shí)際上是 不可避免的；由于意外事件引起的結(jié)構(gòu)體系內(nèi)一部分元件