多载荷作用下转向构架结构可靠性评价分析

在转向架构架的结构可靠性分析中,可变载荷工况的失效概率有利于提高结构的合理性。本研究利用有限元分析(FEA)和试验(DOE)的结果,建立了转向架构架可靠性的多项式响应面(PRS)代理模型。基于应力强度干涉理论,建立了转向架构架在变载工况下的功能函数,在此基础上提出了一种考虑不确定性因素的多项式响应面代理模型(PRS-update)来表征设计参数和响应之间的函数关系,并采用子集仿真(SS)方法计算其失效概率,将单峰和双峰边界引入转向架构架的结构可靠性分析中,通过与蒙特卡洛模拟(MCS)结果进行比较,验证了PRS-Update模型在分析转向架结构可靠性的准确性。

邮轮甲板结构冗余度的可靠性研究

开展船体结构冗余度的可靠性研究,对于保证船体结构在局部损伤(如永久的局部变形、裂纹或焊缝失效)之后不会导致整个加筋板甚至船体梁的破坏具有重要意义。本文拟合了损伤前后扶强材单元承载力比值与扶强材柔度的关系,提出损伤加筋板极限承载力计算的逐步迭代法。以邮轮甲板结构为研究对象,构造邮轮甲板结构冗余度可靠性计算的极限状态方程,基于概率统计的方法,确立邮轮甲板结构的极限强度、波浪弯矩和静水弯矩等随机变量的随机模型和概率特性;采用一次二阶矩法计算一艘极地邮轮甲板结构冗余度的可靠性指标和失效概率,讨论了上层建筑不同参与度对甲板结构冗余度的影响。结果表明,该极地邮轮甲板结构具有足够的冗余度,所提方法对于其它船型的冗余度评估具有借鉴作用。

腐蚀性环境下石油钻修井机井架强度可靠性分析模型

针对腐蚀作用对井架强度造成的影响、为油田作业埋下事故隐患的问题,提出了石油钻修井机井架强度可靠性分析模型。在XJ70型号石油钻修井机所用井架上选取10个检测点,获取满荷载条件下各检测点的应力极值。根据井架结构与钢材料力学性能,结合强度约束条件与状态判定条件,利用井架实际工况中的抗力、工作荷载、风荷载分项系数,建立井架强度可靠性分析模型,利用ANSYS有限元分析软件数值模拟承载力变化,将腐蚀性环境中和满荷载条件下未腐蚀的井架失效概率和强度进行对比,完成XJ70型号石油钻修井机井架强度可靠性分析。结果表明,腐蚀性环境中同一井架不同位置的强度可靠性受腐蚀作用的影响程度不同,该模型能精准获得井架不同位置在腐蚀作用下的极限承载力,提高钻修井机井架作业安全性。

承载力折减系数对结构构件可靠度的影响分析

构件承载力评定是鉴定结构构件安全性的重要指标。本文采用一阶二次矩阵法得出了不同承载力折减系数下的构件可靠指标计算公式,并结合多种常用材料的抗力参数,根据非迭代方法计算出了不同结构构件对应的可靠指标。结果表明:可变荷载对结构可靠度的贡献优于永久荷载的影响,但当可变荷载与永久荷载标准值之比达到一定限值时,构件的可靠度不再提高。依照现行标准要求的承载力折减系数计算可知,结构构件可靠指标大致呈等差数列排布,此种划分方法下得出的结果与构件实际失效概率存在较大偏差,可靠指标降幅过大将对构件安全性鉴定工作产生不利影响。

基于可靠性理论的套管失效风险评价方法

针对套管几何参数、力学性能和外载存在随机性的特点,对传统套管安全系数设计与评价方法不足之处进行了分析。根据结构可靠性理论,建立了套管抗外挤强度和抗内压强度的失效风险评价方法。采用Monte-Carlo随机抽样法,模拟出了套管强度的随机分布规律,得出了不同载荷条件下套管失效概率以及安全系数与套管失效概率之间的对应关系。研究表明,基于可靠性理论建立的套管失效风险评价方法,可对套管的安全可靠度进行定量评价。对于不同的套管类型和外载条件,安全系数相等,而失效概率并不相同。计算出的失效概率评价指标,可为传统安全系数的选取和外载条件不确定性情况下套管设计与评价提供依据。

破损舰船剩余强度的可靠性评估方法研究

为了合理地评估破损舰船的剩余强度,基于可靠性方法,考虑剩余承载能力和外载荷的不确定性,给出了一种计算破损舰船剩余强度的方法。应用该可靠性评估方法和LR军规的确定性方法对某舰的剩余强度进行评估,计算结果表明两种方法的评估结论相吻合,且采用可靠性方法计算破损舰船的失效概率能更清晰地反映出舰船在破损情况下的残存能力,可以定量地给出海况、船体破损程度、浪向、航速等参数对残存能力的影响,是值得深入研究的方法。同时,还对破口尺寸的变化对剩余强度的影响进行了分析。

应力—强度干涉模型在系统失效概率分析中的应用及相关问题

研究一般串联、并联及KN表决系统(不要求系统中各零件失效事件是相互独立的)的失效概率建模与失效概率预测。通过详细考察、深入分析应力—强度干涉理论、方法及其在零件失效概率和系统失效概率计算中的建模过程,介绍“系统级”的应力—强度干涉模型及其在系统失效概率分析中的应用,并给出应用实例及其与实验观测结果的比较。与传统的先计算零件失效概率,再在各零件失效相互独立的(不真实)假设条件下建立串联、并联、表决等系统失效概率模型的方法不同,文中提出应用“系统级”的应力—强度干涉分析直接建立系统失效概率模型的方法。为应用应力—强度干涉模型预测系统失效概率,首先详细分析传统的零件失效干涉分析过程中发生的系统可靠性信息损失问题。分析表明,零件失效概率的不确定性与载荷分散程度有关,在传统的应用应力—强度干涉模型计算零件失效概率过程中遗失的失效相关性信息对系统失效概率估算是十分重要的。在此基础上,指出无法通过传统的零件可靠度参数构建一般系统(具有失效相关性的非独立失效系统)可靠性模型的原因。最后,建立能根据系统低阶失效数据预测高阶失效概率的参数化模型。

冰区海洋平台疲劳可靠性评估方法的研究

给出了在随机波浪载荷和冰载荷作用下平台构件疲劳损伤的一种计算方法,并利用该方法分析了平台单个构件和平台整体的疲劳可靠性。用指数函数对波浪和海冰作用下平台构件的疲劳应力、应力循环次数和环境参数的关系进行了拟合,拟合精度很好。根据拟合的指数函数,并基于S—N曲线和Miner线性累积疲劳损伤理论,推导出构件疲劳损伤的计算公式,使构件疲劳损伤的计算过程得到很大简化。在此基础上给出了单个构件的疲劳可靠性计算公式,提出了平台整体疲劳失效的简化判断依据和平台关键失效模式的确定方法,并给出了平台整体失效概率的计算方法。计算实例表明,该方法简单可靠,可以有效地用于工程实际。

基于点估计法的黄土边坡可靠度研究

在不同的黄土地区选取4个工点的典型路堑高边坡,基于点估计理论和有限元强度折减法计算边坡可靠指标。结果表明:工点2的稳定系数虽达到1.46,却有19.2%的失效概率;工点1和4的坡型、地层岩性及层厚等工况较接近,失效概率差值达29.8%,参数变异性是造成其差异的主要原因。用点估计法计算边坡可靠度,并采用可靠度理论分析黄土边坡稳定性,能较好的解决土性参数离散性对边坡稳定性评价的影响。

输电塔线在覆冰与风载下的可靠性分析

以湖南省郴州地区输电线路为例,构建了输电塔线体系精细化有限元模型,基于2008年南方覆冰实测资料,考虑输电塔角钢尺寸的不确定性、角钢材料性能随时间的老化及输电塔本身所受覆冰荷载和风荷载的随机性,采用蒙特卡罗法分析计算了4种工况下的可靠性。结果表明,随覆冰厚度的增加,输电塔的失效概率迅速增大,覆冰和风荷载共同作用是输电塔失效的主要原因,为重冰区覆冰架空输电线路技术设计提供了依据。

考虑失效相关的系统动态可靠性模型

考虑共因失效这种重要的失效相关形式对系统可靠性的影响,运用载荷—强度干涉模型、顺序统计量理论以及随机过程建立了系统动态可靠性模型。在系统层运用载荷—强度干涉模型建立了失效相关系统可靠性模型。分析了随机载荷多次作用时系统的失效过程,根据随机载荷作用的统计学意义,运用顺序统计量理论建立了载荷多次作用下的系统可靠性模型。在此基础上,运用泊松随机过程描述载荷的作用过程,建立了失效相关串联系统、并联系统以及k/n系统动态可靠性模型,并研究了系统可靠度随时间的变化规律。最后,运用Monte Carlo方法对所建立的可靠性模型进行了仿真分析,验证了本文模型的正确性。

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。

真实随机环境中大型结构的强度可靠性分析方法

将标准有限元和已有的迭代响应面法相结合,并将标准有限元与已有的改进的均值法相结合,给出了这两种适用于多随机性和多失效模式的真实环境中大型复杂结构的强度可靠性分析的方法。文中以算例分析了这两种方法的有效性和适用范围,指出解决高度非线性隐式极限状态方程问题可能的较为精确的方法。最后以真实的复杂飞机结构为例,分别用两种方法进行了考虑载荷和材料性能参数随机性的强度可靠性分析,并得到具有工程意义的结论。

配电系统短期可靠性评估方案

现有配电系统可靠性评估大多基于长期历史数据的平均可靠性,缺少对配电系统短期可靠性快速评估的模型及方法。针对配电网具体元件特点及短期内元件状态,提出一种配电系统短期可靠性评估方案,分别由基于失负荷的配电系统短期可靠性指标,基于改进条件相依的元件短期停运率模型以及基于前推故障扩散算法的配电系统短期可靠性评估分析方法。通过仿真分析,说明所定义的短期可靠性指标的实用性以及评估算法的有效性,为配电系统的短期现场运行提供理论基础与调度指导。

考虑失效相关的k/n系统动态可靠性模型

运用载荷一强度干涉模型、顺序统计量理论和概率微分方程建立随机载荷作用下的失效相关k/n系统动态可靠性模型,研究系统可靠度和失效率随时间的变化规律。在不作失效独立假设的前提下,运用系统级载荷—强度干涉模型建立失效相关k/n系统可靠性模型,以及k/n系统强度的累积分布函数和概率密度函数。从随机载荷作用的统计学意义出发,运用顺序统计量建立载荷多次作用下的k/n系统可靠性模型。运用泊松随机过程描述载荷的作用过程,分别建立强度不退化和强度退化时的k/n系统动态可靠性模型,并研究k/n系统可靠度和失效率随时间的变化规律。研究表明,k/n系统的可靠度随时间逐渐降低;k的取值越大,k/n系统的可靠性越低,失效率越高。强度不退化时,k/n系统的失效率随时间逐渐减小且早期失效率较高;强度退化时,k/n系统的失效率具有'浴盆'曲线的特征。

极值型风荷载作用下大型结构可靠性分析

研究了在极值型风荷载作用下大型结构的可靠性。结构的破坏以结构刚度矩阵奇异为依据，首先列举结构的主要破坏模式，其次利用增量载荷法求出的结构的安全余量方程，然后将极值型风荷载正态化，计算出各主要破坏模式的破坏概率，并用二阶窄界限理论计算大型结构的可靠性。

考虑载荷作用次数的齿轮可靠度计算模型

研究了随机载荷作用次数对齿轮可靠性的影响.通过引入条件可靠度,在不作失效独立假设的前提下,运用应力-强度干涉模型建立了具有多种失效模式的齿轮可靠度计算模型.根据随机载荷作用的统计学意义,运用顺序统计量理论建立了随机载荷多次作用时的齿轮可靠性模型,并研究了齿轮可靠度随载荷作用次数的变化规律.研究表明,即使在强度不退化的情况下,齿轮的可靠度也随着随机载荷作用次数的增加在逐渐降低.

随机载荷多次作用下的零件失效率计算模型

运用顺序统计量理论和载荷-强度干涉模型建立了以载荷作用次数为寿命度量指标框架下的零件可靠度和失效率计算模型.分析了随机载荷多次作用时零件失效的过程,从随机载荷作用的统计学意义出发,运用顺序统计量建立了随机载荷多次作用下的零件可靠性模型.在此基础上,定义了以载荷作用次数为寿命度量指标框架下的失效率,给出了失效率计算的一般表达式,并建立了载荷多次作用时零件的失效率计算模型.最后,研究了零件可靠度和失效率随载荷作用次数的变化规律.该模型可用于指导产品的环境应力筛选试验以及其他可靠性试验.

水下爆炸载荷下舰船舷侧防护结构可靠性分析

为研究舰船结构在遭受导弹等武器攻击下的抗爆能力,取导弹战斗部装药密度、舷侧防护结构材料的弹性模量、切线模量和极限强度作为随机变量;采用对较小数量的样本进行拟合的方法,用随机数生成程序得到50组随机变量的初始值,利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序进行仿真计算,得到水下接触爆炸载荷作用下舷侧防护结构各层板的最大等效应力值;验证各层板最大应力值是否服从正态分布,采用W检验得到了各层板应力分布函数,考虑战斗部爆炸点与舷侧防护结构板架加强筋的相对位置关系,采用强度极限准则,利用蒙特卡罗方法模拟得到其破坏概率.该方法所用样本数量少,充分利用了样本信息,效率较高,具有一定实际应用意义.

模板支架水平构件的可靠性计算与分析

对模板支架水平构件进行了失效分析,建立了方木及水平杆的强度及挠度失效状态函数,研究了结构可靠性计算的直接积分法,进行了水平构件的可靠性计算与分析。研究表明:在小于目标失效概率Pf=10-4情况下,方木的剪力设计值可取为2 760 N,当水平构件受跨中集中荷载时其设计值不应该超过4 475 N,受均布荷载时其设计值不应该超过5.484 08 N/mm。研究结果为高大模板支架水平构件的设计提供了有价值的参考资料,对减小施工过程中模板支架坍塌事故的发生,具有一定的理论及实践意义。