結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件

結(jié)構(gòu)可靠性分析結(jié)構(gòu)可靠性分析1第一章緒論1.1引言工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的兩個方面第一章緒論1.1引言2一.工程結(jié)構(gòu)的定義工業(yè)與民用建筑公路,鐵路(橋梁,隧道等)水利工程(三峽大壩)艦船，飛機等一.工程結(jié)構(gòu)的定義工業(yè)與民用建筑3二工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟選擇合理的結(jié)構(gòu)方案和型式根據(jù)選定的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面二工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟選擇合理的結(jié)構(gòu)方案和型式4三.結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的兩個方面如何使結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析日趨完善如何合理地選擇影響結(jié)構(gòu)安全的參數(shù)三.結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的兩個方面如何使結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析日趨完善5結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件6四結(jié)構(gòu)可靠度發(fā)展和研究概況一．結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變古代時期的設(shè)計方法容許應(yīng)力法破損階段法極限狀態(tài)法四結(jié)構(gòu)可靠度發(fā)展和研究概況一．結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變7二）容許應(yīng)力法要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用期內(nèi)，截面上任何一點的應(yīng)力不得超過某一容許應(yīng)力值．其表達(dá)式為：＜＝［］＝f/K式中：f為結(jié)構(gòu)的材料性能，Ｋ為安全系數(shù)二）容許應(yīng)力法要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用期內(nèi)，截面上任何一點的應(yīng)力不8三）破損階段法

破損階段法計算時，主要考慮材料的彈塑性性能．以受彎構(gòu)件為例，例子其一般表達(dá)式為：Ｍ＜＝Ｍp/K式中：Ｍp－截面破損時的抵抗彎矩Ｋ－構(gòu)件強度總安全系數(shù)Ｍ－標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的截面彎矩三）破損階段法破損階段法計算時，主要考慮材料的9４．極限狀態(tài)法當(dāng)時的極限狀態(tài)法一般設(shè)計表達(dá)式為：４．極限狀態(tài)法當(dāng)時的極限狀態(tài)法一般設(shè)計表達(dá)式為：10

以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法按發(fā)展階段和精確程度分為三個水準(zhǔn)：水準(zhǔn)１－半概率法水準(zhǔn)２－近似概率法水準(zhǔn)３－全概率法5．概率設(shè)計法以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法按發(fā)展階段和精確111911–卡賓奇提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究載荷及材料強度

1926~1929–霍契阿洛夫和馬耶羅夫制定了概率設(shè)計的計算方法，但當(dāng)時提出的方法不夠嚴(yán)格，未扶助實踐。1947–A.M.Freudenthal和拉尼琴同時開展了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。發(fā)表了“結(jié)構(gòu)安全度”一文奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)。1911–卡賓奇提出用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法研究載荷及材料強度12自50年起隨著導(dǎo)彈和空間技術(shù)的發(fā)展，美國、前蘇聯(lián)、加拿大等國家相繼成立了專門組織研究結(jié)構(gòu)可靠性問題，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，作為概念設(shè)計的依據(jù)1954–拉尼琴提出了應(yīng)力-強度結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計的正態(tài)-正態(tài)模型，并推導(dǎo)用正態(tài)分布二階矩表達(dá)的可靠性中心安全系數(shù)的一般形式。

美國“大力神”導(dǎo)彈殼體設(shè)計就采用了這種中心安全系數(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給出了《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》，并采用了R.Rackwitz提出的等價正態(tài)方法，國際結(jié)構(gòu)安全委員會（JCSS）也推廣了這一方法自50年起隨著導(dǎo)彈和空間技術(shù)的發(fā)展，美國、前蘇聯(lián)、加拿大等國13我國的結(jié)構(gòu)可靠性研究工作始于50年代。現(xiàn)在已建立了相應(yīng)的可靠性組織。

《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》

《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》我國的結(jié)構(gòu)可靠性研究工作始于50年代?，F(xiàn)在已建立了相應(yīng)的可靠14船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)可靠性的發(fā)展

1）1972–Mansour&Faulkner發(fā)表多篇文章提出運用統(tǒng)計理論于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中2）Mansour（1974、1984），WhiteandAyyub（1985）發(fā)表文章提出船體總縱彎曲強度可靠性理論船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)可靠性的發(fā)展1）1972–Manso153）1978–

諸多研究者發(fā)表多篇論文討論關(guān)于船體與海洋工程結(jié)構(gòu)可靠性的相關(guān)問題，主要集中在以下幾個方面：a）環(huán)境載荷的分析計算與統(tǒng)計模型的建立；

b）結(jié)構(gòu)細(xì)部的疲勞問題；

c）船體梁的強度模型和失效模型的建立。3）1978–諸多研究者發(fā)表多篇論文討論關(guān)于船體與海洋工16一工程結(jié)構(gòu)的功能在正常施工和正常使用時,能承受可能出現(xiàn)的各種作用在正常使用時具有良好的工作性能在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后,仍能保持必須的整體穩(wěn)定性1.2工程結(jié)構(gòu)可靠性概念一工程結(jié)構(gòu)的功能在正常施工和正常使用時,能承受可能出17二.設(shè)計使用年限表1.1設(shè)計使用年限分類

類別設(shè)計使用年限1.臨時性結(jié)構(gòu)52.易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件253.普通房屋和構(gòu)筑件504.紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)100二.設(shè)計使用年限表1.1設(shè)計使用年限分類18三.規(guī)定的條件（與可靠性相關(guān)的另一個方面）指與結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán)境條件，諸如：外力、溫度、振動、沖擊及周圍介質(zhì)等三.規(guī)定的條件（與可靠性相關(guān)的另一個方面）指與結(jié)構(gòu)所19結(jié)構(gòu)可靠性:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的能力.結(jié)構(gòu)可靠度:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率.可靠性包括:安全性,適用性,耐久性,可維修性和可儲存性及其組合四、結(jié)構(gòu)可靠性的概念結(jié)構(gòu)可靠性:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成20五.失效的概念失效的性質(zhì):突然失效和漸變失效失效發(fā)生的時間:早期失效,偶然失效和耗損失效失效存在的時間:恒定失效,間歇失效和運行紊亂失效失效的完備性:系統(tǒng)失效,完全失效和部分失效結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各部件之間的聯(lián)系:獨立失效和從屬失效五.失效的概念失效的性質(zhì):突然失效和漸變失效21以失效方式對可靠性進(jìn)行命名:設(shè)計可靠性,制造可靠性,使用可靠性,人的”可靠性”和人-機系統(tǒng)可靠性,參數(shù)可靠性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的某種極限狀態(tài):強度可靠性,剛度可靠性,穩(wěn)定性可靠性,疲勞強度可靠性,耐久強度可靠性,蠕變可靠性,聲強度可靠性,密封性可靠性等五.可靠性的種類以失效方式對可靠性進(jìn)行命名:設(shè)計可靠性,制造可靠性,使221.3極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程一.極限狀態(tài)的定義和分類

整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài),就不能滿足設(shè)計規(guī)范所要求的某一項功能要求,此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)<<工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)>>規(guī)定:承載能力極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)1.3極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程一.極限狀態(tài)的定義和分類<23二.承載能力極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因為超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞),或因為過度的變形而不適合于繼續(xù)承載結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定地基喪失承載能力而破壞(如失穩(wěn))二.承載能力極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡24三.正常使用極限狀態(tài)影響正常使用或外觀的變形影響正常使用或耐久性能的局部破壞(包括裂縫)影響正常使用的振動變形影響正常使用的其他特定狀態(tài)三.正常使用極限狀態(tài)影響正常使用或外觀的變形25四.偶然狀況的處理采用下列原則之一按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計:1.允許主要承重結(jié)構(gòu)因出現(xiàn)設(shè)計規(guī)定的偶然事件而局部破壞,但其剩余部分具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生連續(xù)倒塌的可靠度2.按作用效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行設(shè)計或采取防護(hù)措施,使主要承重結(jié)構(gòu)不致因出現(xiàn)設(shè)計規(guī)定的偶然事件而喪失承載能力四.偶然狀況的處理采用下列原則之一按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行26五.計算可靠度的兩種基本方法1、數(shù)學(xué)模型法2、物理原因法數(shù)學(xué)模型法：設(shè)想可靠性的變化遵從某些由實驗確定的統(tǒng)計規(guī)律。向兩個方向發(fā)展，一個是和時間有關(guān)，另外一個事和偶然因素有關(guān)。

缺點：沒有闡明失效產(chǎn)生的原因，并且也沒有指出消除失效的可能性。（電子系統(tǒng)和機電系中應(yīng)用廣泛）物理原因法：第一種是應(yīng)力-強度模型法，第二中是把可靠度定義為隨機過程或隨機場不超出規(guī)定任務(wù)水平的概率，引入系統(tǒng)空間，系統(tǒng)狀態(tài)允許域，系統(tǒng)隨時間變化的軌跡，。。五.計算可靠度的兩種基本方法1、數(shù)學(xué)模型法2、物理27（1）結(jié)構(gòu)強度為一非負(fù)隨機變量或隨機過程，用R或R（t）表示（2）應(yīng)力為一非負(fù)隨機變量或隨機過程，用S或S（t）表示（3）當(dāng)應(yīng)力不超過結(jié)構(gòu)強度時，結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是可靠的，否則，被認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效-故障或破壞（4）結(jié)構(gòu)失效僅由于應(yīng)力作用而發(fā)生（5）計算應(yīng)力和強度的一切力學(xué)公式仍然適用，但公式中的確定量均視為隨機變量或隨機過程六.結(jié)構(gòu)可靠性的基本假設(shè)（1）結(jié)構(gòu)強度為一非負(fù)隨機變量或隨機過程，用R或R（t）表示28七.

應(yīng)力-強度可靠性計算模型的三種基本形式（1）應(yīng)力-強度隨機變量模型（準(zhǔn)靜態(tài)模型）（2）應(yīng)力-強度半隨機過程模型（3）應(yīng)力-強度全隨機過程模型。七.應(yīng)力-強度可靠性計算模型的三種基本形式（1）應(yīng)力-強29八.極限狀態(tài)方程

極限狀態(tài)方程是當(dāng)結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時各有關(guān)基本變量的關(guān)系式它可用下式表示:Z=g(X1,X2,…..,XN)=0(1-1)式中：Ｘi（i=1,2….）為基本變量Ｚ=g(.)稱為結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)或功效函數(shù)八.極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)方程是當(dāng)結(jié)構(gòu)處于極30例１．一個只有兩個基本變量的線性問題，對于承載能力極限狀態(tài)，若令Ｒ為結(jié)構(gòu)抗力，Ｓ為作用綜合效應(yīng)，則極限狀態(tài)方程（１－１）可寫為：Ｚ＝g(R,S)=R-S=0(1-2)若Ｚ＝Ｒ－Ｓ＞０，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)若Ｚ＝Ｒ－Ｓ＝０，結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)若Ｚ＝Ｒ－Ｓ＜０，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)例１．31九.結(jié)構(gòu)可靠性分析的過程確定與結(jié)構(gòu)有關(guān)的隨機變量的分布概率及有關(guān)統(tǒng)計量,這些隨機變量大致可分為三類:a.外來作用b.材料的機械性質(zhì)c.構(gòu)件的幾何尺度及其在整個結(jié)構(gòu)中的位置2)計算構(gòu)件的載荷效應(yīng),確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能力3)計算評價結(jié)構(gòu)可靠性的各種指標(biāo)九.結(jié)構(gòu)可靠性分析的過程確定與結(jié)構(gòu)有關(guān)的隨機變量的分布概32總結(jié)工程結(jié)構(gòu)的概念和設(shè)計的兩方面問題工程結(jié)構(gòu)可靠性概念極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程總結(jié)工程結(jié)構(gòu)的概念和設(shè)計的兩方面問題331.寫出工程結(jié)構(gòu)可靠性和可靠度的概念2.寫出橫截面積為A的軸向受拉桿件的極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程（以桿件橫面上的正應(yīng)力值達(dá)到塑性應(yīng)力為失效狀態(tài)，所考慮的變量分別為取E、

s）1.寫出工程結(jié)構(gòu)可靠性和可靠度的概念2.寫出橫截面積為A34第二章工程概率和數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)2.1

概率論的基本概念一)隨機現(xiàn)象在個別實驗中呈現(xiàn)出不確定性,在大量重復(fù)實驗中,又具有統(tǒng)計規(guī)律性,這樣的一類現(xiàn)象稱為隨機現(xiàn)象.二)隨機實驗和概率1.可以在相同的條件下重復(fù)的進(jìn)行2.每次實驗的可能結(jié)果不止一個,可能事先會知道所有可能結(jié)果3.進(jìn)行實驗之前,不能確定哪個結(jié)果會出現(xiàn).第二章工程概率和數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)2.1概率論的基本概念二)35隨機實驗的例題E1:拋一枚硬幣,觀察出現(xiàn)正面H,反面T的情況E2:擲一顆骰子,觀察出現(xiàn)的點數(shù)E3:在一批II級鋼筋中,任意抽取試樣并測試其抗拉強度E4:記錄某地某時的風(fēng)速E5:一口袋中裝有紅白二色乒乓球,從袋子中任取一球的觀察顏色E6:將一枚硬幣拋兩次,觀察出現(xiàn)正面,反面的情況隨機實驗的例題36幾個基本概念1.隨機事件:在一個隨機實驗中,它的每一個可能出現(xiàn)的結(jié)果都為一個隨機事件2.基本事件:所有可以直接發(fā)生的事件,即最簡單的隨機事件3.復(fù)合事件:由基本事件復(fù)合而成的事件另有:必然事件,不可能事件幾個基本概念372.樣本空間:SE的所有基本事件所組成的集合叫做E的樣本空間SE={E的基本事件}—樣本點S1:{H,T}S2:{123456}S3:{f|a<f<b}----??S4:{v|c<f<d}----??S5:{紅色,白色}S6:{(H,H),(H,T),(T,H),(T,T)}2.樣本空間:SE的所有基本事件所組成的集合叫做E的樣本383.事件之間的關(guān)系和運算3.事件之間的關(guān)系和運算39結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件40另有:若:E中的基本事件有有限個,或可列無限個,則E中的任何一個事件均可表示為若干個基本事件的和所有的基本事件的和是必然事件,記為:S=A1+A2+A3+…+An另有:41三.頻率與概率頻率是某一隨機變量出現(xiàn)可能性的數(shù)字表示.若隨機事件A在n次實驗中出現(xiàn)nA次,則頻率f為:1.頻率的性質(zhì):三.頻率與概率頻率是某一隨機變量出現(xiàn)可能性的數(shù)字422.概率2.概率43概率的性質(zhì):概率的性質(zhì):44四.古典概率(等可能概率型)1.定義四.古典概率(等可能概率型)1.定義45結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件46結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件47結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件48結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件49結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件50五.條件概率五.條件概率51結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件52結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件53結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件54結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件55結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件56結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件57六隨機變量及其分布隨機變量離散型隨機變量隨機變量的分部函數(shù)連續(xù)型隨機變量六隨機變量及其分布隨機變量58隨機變量拋硬幣實驗隨機變量59結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件60結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件61結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件62結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件631）獨立試驗序列1）獨立試驗序列64結(jié)構(gòu)可靠性分析1課件65結(jié)構(gòu)可靠性分析