可靠性理论范文
可靠性理论范文（精选8篇）
可靠性理论 第1篇
关键词：建筑结构,可靠性,失效模式,失效概率
0引言
我国正处在大规模建设阶段, 工业和民用建筑以钢筋混凝土结构为主。我国现行规范明确规定, 建筑结构必须满足安全性、适用性和耐久性三项要求, 统称为可靠性。工程结构往往为大量构件组成的超静定结构, 一个构件或多个构件失效后, 剩下的结构仍然可以完成规定的功能, 因此单个构件的可靠性并不能完全反映整个结构体系的可靠性。结构的可靠性不仅取决于结构构件的可靠性, 而且取决于构件的组合方式以及组合方式之间的相关性。目前的工程结构可靠性分析大多还只停留在构件可靠性分析, 与实际不相符合。结构体系的可靠性理论尚在探索和发展中。
1结构体系可靠性分析步骤
1.1 寻找主要的失效模式
分析结构的可靠度, 首先要寻找结构可能出现的各种失效模式。所谓的寻找主要失效模式, 就是在所有可能的失效模式中, 找出对结构体系的失效概率贡献最大或较大的失效模式。结构的状态是复杂的, 根据结构的构造、荷载方式和使用环境不同, 结构的失效模式也各不相同。
1.2 结构体系失效标准
极限状态是区分结构可靠和失效的标志。结构的极限状态可用功能函数来描述。例如, 当有n个随机变量影响结构的可靠性时, 整个结构存在有m个失效模式, 第i个失效模式的功能函数可表示为:Zi=gi (X1, X2, …, Xn) (i=1, 2, …, m) 。
其中, Xi (i=1, 2, …, n) 为结构上的作用效应、结构构件的几何参数、材料性能等基本变量。当Zi>0时, 结构处于可靠状态;当Zi=0时, 结构处于极限状态;当Zi<0时, 结构处于失效状态。极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。结构的安全性属于承载能力极限状态, 适用性和耐久性属于正常使用极限状态。现行的结构可靠性分析是以承载能力极限状态为前提条件, 必须满足。正常使用极限状态是结构使用功能正常发挥的必要条件, 适用性和耐久性不足也将导致结构提前失效。正常使用极限状态下的可靠度问题也越来越受到关注。
承载能力极限状态研究三个方面内容:结构抗力、结构上的作用和可变作用效应组合。结构抗力指结构抵抗作用效应的能力, 包括结构构件的承载力、刚度、抗裂度等。结构抗力与结构材料、构件的几何参数、构件的破坏方式 (大偏心受压、小偏心受压、剪切破坏、冲切破坏) 有关。工程中, 均假定抗力服从对数正态分布。结构上的作用包括结构上的荷载和外加约束及约束变形。在实际中, 只有荷载是可以统计分析的, 因此可靠度分析和设计只是针对荷载作用下的情况。按时间分类, 可分为永久作用、可变作用和偶然作用。在设计基准期内, 永久作用不随时间变化, 可视为随机变量;可变作用随时间变化, 用随机过程模型描述;偶然作用较为复杂, 要根据其特点进行专门的分析。可变作用效应组合, 如果结构同时承受多个不同的可变作用, 则这些作用的效应同时达到最大值的概率很小, 所以在结构设计中, 全部可变作用的标准值进行折减后进行组合。许多文献给出了组合的方法。文献[1]对持久性活荷载和临时性活荷载组合给出一个简单的解析表达式。文献[2]采用叠加法, 对多个临时活荷载进行组合给出近似概率分布公式, 把组合后的临时性活载视为一个临时性活荷载, 再与持久性活载进行组合。累积损伤失效, 可以分为低周疲劳破坏和高周疲劳破坏。一般低周疲劳破坏时, 结构处于高应力水平, 疲劳寿命 (荷载反复作用的次数) 低于105, 如地震发生时, 结构的破坏;高周疲劳破坏时, 应力水平较低, 疲劳寿命大于105, 如压力容器、铁路桥梁、公路桥梁和吊车梁。国内对疲劳可靠性的研究比较多, 文献[3]讨论了结构构件疲劳断裂可靠性分析的新方法和新模型。正常使用极限状态的分析包括变形、局部损坏和振动等。尽管超过正常使用极限状态不会造成结构灾难性的破坏和损失, 但会影响结构的正常使用。
2结构体系主要失效模式的理论和算法
在分析结构体系主要失效模式时, 要确定结构体系失效树的主干和主枝, 为避免分支爆炸, 将最有可能的失效模式选出来, 必须通过有效的算法限制分支规模。目前识别结构体系主要失效模式的理论和算法主要包括:荷载增量法、穷举消除法 (截至枚举法) 、β约界法、阶段临界强度—分支约界法、全局临界强度—分支约界法等。
荷载增量法[4]最初由Moses提出来, 该方法采用荷载增量为1时, 元件内力与强度比λ作为各级荷载增量下临界元件的选取准则。定义约界参数为ck (0<ck≤1) , 结构体系由n个单元组成, 若r1, r2, …, rk-1共k-1个单元已经相继失效, 在下一阶段, 结构元件rk满足承载力之比λ
穷举消除法[7]:将失效概率较小的失效模式作为次要失效模式删除。确定某一失效模式后, 对该失效模式的失效概率和结构体系失效概率进行估算, 计算二者的比值, 将比值小的失效模式消除。结构体系失效概率不可能先获得, 而是根据部分失效模式的失效概率值进行估算得到。
Thoft-Christensen最早提出β约界法。在失效历程的第k阶段, 若单元rk失效的条件可靠度指数β
阶段临界强度约界准则法以使系统阶段强度取值最小的那些单元为本阶段失效候选单元。该方法是在系统演化历程的每一阶段独立进行的, 它直接对每阶段的目标值进行约界, 从而提高约界的效率。但它只考虑同一阶段具有相同失效前序的单元间的相互关系, 未考虑在失效历程的不同阶段, 或处于失效历程的同一阶段, 但具有不同失效前序的单元间的相互关系。文献[9]提出全局临界强度分支—约界法。董聪将柔性约束边界的概念引入分支—约界法, 借助于各级反馈回路实现失效树柔性控制边界的动态调整, 从而在阶段临界强度分支—约界法的基础上建立了全局临界强度分支—约界法。
以上寻找主要失效模式的方法, 在整个过程要进行多次结构重新分析, 计算量比较大, 使结构失效模式识别和分析变得困难。文献[10]介绍了采用有限元法, 通过计算机寻找主要失效模式。文献[11]基于线性随即规划法来识别结构主要失效模式, 减少了计算量。总之, 寻找主要失效模式方法的研究目前还在进行中, 它是结构可靠性研究的重要内容之一。
3计算结构体系的失效概率
3.1 结构体系分类
结构体系分为并联体系和串联体系。超静定结构体系的构件破坏后, 结构会出现内力重分布, 结构体系的可靠度要大于结构元件的可靠度。只有结构中每个元件都失效时, 结构才失效, 则称为并联结构体系。对于静定结构体系, 每一个元件失效都会导致整个结构体系失效。工程中大部分为超静定结构体系, 多数是以并联—串联体系存在。为了便于分析, 结构体系可以看成多个主要失效模式组成的串联系统, 而每一个失效模式是多个失效单元组成的并联系统。
3.2 结构体系综合失效概率计算分析
在找到结构的主要失效模式后, 再应用多个失效模式的可靠度计算方法分析结构体系可靠度。目前常用的结构体系可靠度近似估计方法有两类:一类是区间估计法;另一类是点估计法。区间估计法采用概率论的基本原理划定结构体系失效概率的上限和下限, 将系统失效概率表示为一个集合区间的模式。结构失效模式较多或失效模式之间的线性相关系数较大时, 系统失效概率的区间会明显拉宽。在这种情况下采用区间估计法很难获得结构体系失效概率的准确估算值。
点估计法是将具有多个积分边界的复杂高维积分问题经过适当的近似处理从而估算体系失效概率, 包括采用泰勒级数展开法和将多个极限状态方程两两逐步线性化的方法。
概率网络估算技术 (PNET) 是早期对结构体系失效概率点估计的主要方法之一。文献[12]基于条件概率的基本原理和数值计算技术提出结构体系失效概率估算的近似数值分析法。该算法计算简便, 精度满足工程应用的要求, 其有一定的应用价值。
4结语
可靠性理论 第2篇
相容非概率信息的可靠性理论与方法研究
介绍了相容非概率信息的可靠性研究进展和趋势,说明了在卫星可靠性工程中开展相容非概率信息研究的.必要性和可行性.在总结分析现有主要可靠性量化分析理论与工具的原理、方法和特点的基础上,提出了实现相容非概率卫星可靠性信息量化的相关技术路径,并指出非概率信息在卫星可靠性工程中的应用将是改善卫星可靠度量化控制问题的一条途径.
作 者：宋政吉 王慧 王立 SONG Zhengji WANG Hui WANG Li 作者单位：中国空间技术研究院,北京,100094 刊 名：航天器工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENGINEERING 年，卷(期)： 16(4) 分类号：V57 关键词：不确定量化 可靠性 卫星可靠性理论 第3篇
关键词：机械动态,渐变可靠性,技术
机械设计的目的是在产品研制中, 通过预测、估计产品规格、运行状态、寿命, 指出相关产品的微弱点, 从而保障产品需求与可靠性。而从机械产品来看:人身安全、可靠性、社会效益与经济效益有着密切的关系, 可靠性要求整合时间因素, 因此, 在现行的机械产品设计中, 必须全面推广与认识可靠性。从可靠性技术内容来看:它贯穿整个制造、研制、调试、设计、使用、实验、保管、运输、保养、维修、保养环节。
1 动态和渐变可靠性的概念
机械设计是以机械产品设计与动态特性为基础, 对产品振动状况、运动特性进行研究, 进行的产品预测、设计、分析与修改。因为机械动态可靠性的设计理念属于机械设计的范畴, 所以动态可靠性必须在动力概率学基础上, 对振动与运动状况下的可靠指标进行研究, 并且将机械产品的指标作为研究可靠性的依据。早在上个世纪四十年代, 结构系统开始研究动态可靠性, RICE还研究了固定交叉界限与动力反应之间的问题, 并且首次提出超越概率, 也为超越破坏可靠性的理论打下了基础。之后, 超越概率的计算算法被提出, 并且推出了包括时间距的解。冲击与振动严重影响着产品可靠性、使用寿命与工作精度, 因此研究动态可靠性的方法与理论, 解释机械产品运动现象、确保大型装备的运行可靠性是有效增强机械设施动态可靠性的方法。在传统的可靠性理论设计中, 并没有考虑到机械产品的行为力学, 为了挽救缺失就必须开展可靠性动态研究。而动态可靠性更多的则是为了阐述动态体系的理论术语, 也就是:振动或者运动状态中产品的可靠性, 在这过程中, 动态强调机械产品中的振动频率、能量传递与响应输出等。受机械产品参数与特性影响, 它具有很强的随机性, 并且产品运行属于动态过程, 工况、载荷、应力等都会随着时间变化而蜕变, 因此, 必须在随机过程处理好。如果将机械可靠性视为:规定时间与条件下, 机械产品完成功能的能力, 那么可靠性就会开始重视:机械产品的动态行为, 损伤也会影响产品动力学, 力学行为影响失效率与可靠性。从上面可以看出:必须正视动态特性, 在产品信息可靠性与数据得到保障的情况下, 同时让可靠性由静态向动态演变。
失效的机械产品是丧失功能规格的体现, 渐变性实效更多的体现为多种化学与物理因素作用下, 形状、尺寸、性能、状态发生的变化, 最后再以某种形式丧失功能。实际上, 很多机械产品的数值都会随着时间变化而变化, 具体如:腐蚀、疲劳、裂纹、磨损等造成的机械强度偏低, 让产品可靠性渐变。该产品的参数特性是一个随时间变化的过程, 因此产品可靠性也是随时间渐变的过程。而实效渐变则是机械产品在运行中受性能参数的影响, 逐渐变质, 并且实效的过程。根据机械产品的宏观特性有:断裂、变形、表层损伤等。变形 (断裂) 失效又有刚度逐步降低的失效、过载断裂失效。
机械动态和可靠性渐变理论作为典型可靠性理论的升华与演化, 它的应用研究与理论, 不仅会促进产品研发, 对确保产品安全运行也有很大作用。对动态与渐变可靠性进行研究, 是在充分体现渐变可靠性基础方法与理论的同时, 为机械设施提供技术准备。
2 动态和渐变可靠性的发展展望
2.1 非线性随机动态和渐变机械体系的可靠性设计
在机械动态可靠性设计中, 如果要同时考虑非线性多自由度随机体系的动态方式与失效渐变, 将是机械操作与研究的难点。对于机械产品来说, 部分参数变质不仅会带来失效, 还会影响动态行为, 同时机械动态也会对参数造成恶劣影响。因此, 在模型可靠性构建时, 必须结合两种耦合因素。参数劣化实质上是一个随机演变的过程, 最后让机械产品力学方程也变成随机过程, 从这可以看出渐变耦合与动态力学是非线性、多自由, 并且参数与荷载同为随机的模型。怎样分析这一极具难度的随机力学, 与在此基础上研究可靠性设计将成为机械研究的难点与重点。目前, 针对动态与渐变耦合的非线性自由度随机系统的可靠性设计与动力学分析的文献还相对较少, 这也是制约机械产品发展的瓶颈之一。
2.2 动态和渐变机械耦合失效的可靠性设计
在上面的问题中, 主要研究的是渐变耦合与机械动态的可靠性设计, 并没有同时包括因为振动造成的静态、渐变失效与相互耦合、动态渐变、随机耦合带来的可靠性问题。如何解决各失效类型间的耦合, 并且在此基础上研究机械可靠性设计、预测与制造问题, 既是一项复杂的问题, 也是一项具有开创性与挑战性的问题。该问题能否顺利解决, 直接和能否打破束缚机械产品可靠性瓶颈的社会与科学价值有着很大的关系。
2.3 信息概率缺失与渐变可靠性设计
在机械可靠性设计中, 要掌握各个零部件与机械体系的参数分布信息, 就当前的实际工程来看:很难有充足的数据与资料确定参数概率。截至今日, 机械产品的可靠性已经取得了很大的改善, 但这些方法大部分局限在服从参数正态上。在工程复杂与数据统计相对缺乏的情况下, 让很多参数设计只有形式概率, 很多根本不能服从正态进行分布。这也说明, 单纯利用正态可靠性会带来一定误差, 很多时候不能达到理想状态, 针对机械制造与可靠性设计这一问题, 在数据匮乏的状态下, 信息概率的渐变产品与动态可靠性设计方法与技术就显得特别重要。
3 结束语
机械动态和渐变可靠性是以机械产品的研究为对象, 将冲击环境与振动作为机械产品可靠性与性能的驱动, 通过机械产品渐变性能与可靠性影响, 对于产品面临的挑战与瓶颈, 整合随机过程和动力学、统计概率、可靠性设计, 探索机械产品的技术成果与理论设计。最后为机械数字化、改善机械设计提供更多的社会与经济效益。
参考文献
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[2]李常有, 张义民, 王跃武等.线性连续系统的动态与渐变耦合可靠性分析[J].机械工程学报, 2012, 48 (02) :23-29.
[3]张敬义, 闫兵, 董大伟等.动力机械动态工况共振幅值特性研究[J].噪声与振动控制, 2013 (01) :51-55.
基于模糊理论的电力系统可靠性评估 第4篇
智能电网的提出, 电网互联的日益发展, 使得电力系统规模不断增大, 控制方式更加复杂多变, 运行情况更加不确定, 连锁事故的影响也更容易扩大化。因为其稳定问题并不仅仅是小系统稳定问题的简单线性叠加, 在这种情况下, 一些偶然的事件可能会波及相邻系统, 造成过载、电压等问题, 如果调度处理不当, 就极易引起事故的连锁故障反应, 从而危及整个系统的安全稳定运行, 甚至可能出现大面积停电事故, 这会给社会和人民生活带来了不可估计的严重损失。
本世纪在世界范围内频繁发生的大停电问题向传统的安全评估方式提出了挑战, 启示人们应当改进规划与运行标准, 因此, 研究新的电力安全准则, 尤其是电力系统安全评估方法, 显得迫在眉睫。
电力系统的安全性, 主要是指在动态条件下, 系统能够有效地承受突然扰动, 并能维持向用户持续供应电力和电能量的能力。如果系统能够承受可信的预想事故, 那么它就是安全的[1]。
近年来, 人们广泛讨论着模糊集理论在电力系统研究中的各种应用[2]。这些应用包括系统设计、系统寿命评估、风险评估、脱网概率估计、无功功率控制和系统恢复。此文的目的是运用模糊理论, 通过计算机对复杂的电力系统进行仿真, 从而对其进行可靠性评估。可靠性问题是由一些相互矛盾的因素构成的多目标规划问题, 例如系统割集数, 前馈通道数和容量等。
有基于此, 本文针对传统电力安全评估方法的不确定性, 提出一种新的电力安全评估方法, 该方案以目前热门的模糊控制理论为基础, 希望用模糊分类的方法来描述这些无法精确描述的变量, 用模糊推导来计算并评估电力系统及各部件的性能。
2 背景介绍
一个复杂电力系统可靠性的表达式可以写成
这里, n代表系统元件的数量 (如传输线、变压器、发动机) ;p和q分别代表系统组件正常运行和发生故障的概率;ai代表第i个元件的系数, 取值为0到1。
基于以上的假设, 从等式 (1) 中可得出:系统的可靠性可以由一个由ai组成的数字集合来决定。取决于系统的结构 (前馈通道数, 割集数) 、组件的优劣和系统的裕量。目前看来, 系统容量是最大的限制。
在此文中, 提出了模糊推导方法, 以便用更灵活的方式来解决线路容量限制。这样就可以用一个系统的方法来解决多目标的可靠性规划。在研究中, 主要着重于用模糊推导方法来评估复杂电力系统, 但并没有考虑电力系统容量因素[3]。
3 模糊理论
3.1 模糊集简介
模糊集理论是一种基于不具有精确边界集合的理论。模糊集中, 用隶属度来描述物体属于一个不具有精确边界的集合的程度, 而概率论的随机性是描述事件发生与否的。一个模糊集是一个具有连续隶属度等级的事物的归类[4]。
一个模糊集中元素的隶属度和非隶属度的转换是平缓的, 而不是阶跃的。因此, 可以存在此类元素, 它只满足集合的部分条件。模糊控制理论的中心是:用隶属度函数将一个元素属于某个集合的程度进行数字化描述。
令X≡{x}, 它表示一系列点的集合;X中的元素用x表示。X可以为可数也可为不可数, 它是所论述问题的一个非模糊集合。通常, X用Rn表示。X中的一个模糊集A可通过隶属度函数μAX描述, X中的每一个点在μAX中, 都有一个0~1的数值与之对应, 此数值代表x与模糊集A的隶属度。
因此, X中的模糊集A是有序集, A={x, μA (x) }, 对模糊集A中的单独点x:A={x, μ} (2)
在X中, a等级的模糊集A定义为:隶属度超过a的集合, 并用Aa来表示, 即AÂ{xmÁ (x) a} (3)
在X中, 当每个x的μA (x) =μB (x) 时, 则称A和B为两个相等的模糊集 (A=B) 。
在X中, 当每个x的μA (x) 燮μB (x) 时, 则称A为B的子集。模糊集的计算根据以下三个公式:
其中, A代表A的补集。
3.2 隶属度函数
模糊集理论的关键是隶属度函数和隶属度的数字化, 但数字化是很困难的。为了绕过这个难题, 在此应用中, 模糊集用L-R的隶属度函数来描述[5]。
因此, 在图1中, 集合用{aL, kL, a-, a+, kR, aR}简单表示。图2给出了一些特殊的隶属度函数。
3.3 基于隶属度函数的模糊推导
此时, 如何对可靠性系数的模糊割集和模糊连集进行评估的问题产生了。如果模糊割集用FC表示, 模糊连集用Ft表示, 模糊集D表示两者的交集, 即:D=FÁ∩F (8)
D的隶属度函数为:
如图3所示。
由模糊集D的定义, D中元素的隶属度等级是最高的, D中元素用表示[6]。简而言之, 最大化判定是选择一个ai, 使模糊集D中元素的隶属度函数 (μD (ai) ) 值取得最大值, 即:
4 模糊推理法
4.1 系统构造隶属度函数
以下规则将被作为指导模糊表述和模糊推理的总原则。判断第i个系数是否合理, 应看其是否满足以下条件:
(1) 系统连集的数量小于或者等于i。 (2) 系统割集的数量大于或者等于 (n-i) 。 (3) 在负荷高峰期, 正常运行的器件不能过载。 (4) 满足各种负荷的增长。
规则1:对于n阶线性系统, 它有n+1个变量。其中的一些变量没有模糊系数。如果满足下列条件, 则第i个系数不具有模糊系数
如果n-i<Cmin则ai=1.0 (11)
如果i<Tmin则ai=0.0 (12)
规则2:满足以下条件的第i个系数定义为:
如果n-i=Cmin, 则
如果i=Tmin则
规则3:如果满足i>Tmin及n-i>Cmin, 则隶属度函数为线性函数, 可用L-R隶属度函数进行描述, 如图4, 即
其中
如果y>1.0令y=1.0;如果x<0.0令x=0.0。
仿真计算采用德阳地区电网2010年丰大方式某时刻的潮流。德阳地区电网与周边电网联系紧密, 自己没有独立的发电厂, 属于典型的受端网络系统, 在用本文程序的指标对其安全性进行评估时, 从数据建模和仿真计算角度考虑, 对系统联络进行了一定简化归并的等效处理。等效以后的网络拓扑结构如图5所示:
当某一条线路发生断线事故后, 电网中发电机的有功, 无功分配情况将发生变化, 整个系统的潮流将重新分布。计算过程中, 电压幅值约束为0.5pu.-1.1pu., 线路功率约束为-1800kw-1800kw。
在图5中, 九条支路将六个节点连接。支路数用1~9表示, 节点用A~F表示。所有支路数的故障率都是0.1, 并且忽略节点故障。图中, 有13条从节点A到节点F的路径, 有9个最小割集。表1所示为系统中, 13条路径和9个割集分别包含的支路数的分类情况, 图中J表示支路数。
由表1和规则1得到, 从A到F, 支路数不少于3条。因此, 系数a0、a1和a2不是模糊量, 其值为0 (公式12) 。另外, 最小割集的支路数不少于2, 因此, 系数a8、a9不是模糊量并且等于1 (公式11) 。
根据规则2和公式14, 从表1看出, Tmin=3, 所以隶属度函数的第三个系数μa3在坐标轴上是连接 (0, 0) 和 (3, 1) 两点的直线。
此外, 从表1可得出, Cmin=2。根据规则2和等式13, 隶属度函数的第七个系数μa7在坐标轴上是连接 (36, 0) 和 (34, 1) 两点的直线。如图6所示。
根据规则3, 左隶属度函数的第四个系数uft, 在坐标轴上是连接 (0, 0) 和 (y, 1) 的直线;根据等式18, y可以根据下列等式计算
右隶属度函数的第四个系数μfc, 在坐标轴上是连接 (1, 0) 和 (x, 1) 的直线;根据等式17, x可以用下列等式计算:
图7所示为a5和a6的隶属度函数。表2给出了图5所示例子的计算结果。从表2看出, 通过以前基于精确模型的算法得出的结果和使用模糊算法, 系统可靠性相差0.176%, 然而从节约计算时间的角度考虑, 现在用的算法花费的时间比另一个少, 尤其是在网络复杂的情况下。
6 总结
此文提出了一种可计算复杂电力系统可靠性的模糊算法。此算法有以下优点:
由于此算法是根据系统的割集和前馈通道数来计算的, 因此即便是系统的结构发生改变, 也能对系统的可靠性进行在线计算。本算法简捷, 用时少, 且计算结果与精确计算结果之间的误差很小。计算出的可靠性指标是可信的, 运行人员可以据此判断正在运行的系统是否可靠。
参考文献
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可靠性理论 第5篇
1.1 卷筒壁上的应力
启闭机卷筒一般为铸造卷筒和焊接卷筒两类。焊接卷筒是启闭机中应用最为广泛的一种结构形式。卷筒的主要失效形式有:卷筒臂裂纹、磨损, 卷筒轴弯曲失效, 卷筒和开式齿轮的联接件螺栓的剪断、压溃, 滑轮组磨损、破损、裂纹。而其中卷筒臂裂纹, 卷筒轴弯曲是其最主要的实效形式, 所以在卷筒正常工作时, 必须要保证卷筒臂与卷筒轴同时安全.卷筒可靠度分析主要是对卷筒壁强度、卷筒轴强度的可靠度分析。
由卷筒壁的应力计算公式为:
undefined (1)
undefined (2)
式中:A与钢丝绳在卷筒上的缠绕层数有关的多层缠绕系数, 为定值;
δ 卷筒壁厚, mm, 取为定值;
t卷筒绳槽节距, mm。取为常量;
Smax钢丝绳拉力, KN;
FO闸门启门力, KN。
FO为随机变量, 其它均看作常量。根据闸门启门力公式 (3) - (4) 可知, 启门力主要由闸门自重 (含闸门自重、加重块重量) 、启闭摩擦阻力、下吸力组成。而启门摩擦阻力又是作用于闸门上的总水压力P和支承、止水摩擦系数f2, f3的函数;作用于闸门上的总水压力有静水压力、动水压力、波浪压力、地震动水压力、水锤压力、泥沙压力等。其中地震动水压力、水锤压力、泥沙压力只是在特定情况下出现可不记;波浪压力在闸前水域较小, 波浪不高, 且孔口跨度不很大时, 可不计;对于深孔闸门, 由于水头较高, 即使门前有较大水域, 其波浪压力对闸门的影响也较小, 可忽略不计。静水压力是作用在闸门上的主要载荷, 是对启门影响的最大因素。而静水压力是作用水头的函数。为简化分析, 不考虑下吸力对启门力的影响, 止水部件的摩擦系数f3视为常量。为此, 选取闸门自重G, 闸门作用水头HS以及支承摩擦系数f2作为启门载荷的随机变量。即启门力公式简化如公式 (8) 。
平面闸门启门力FQ, FQ=nT (Tzd+Tzs) +Px+nGG+Gi+Ws (3)
弧形闸门启门力undefined
滑动支承摩阻力Tzd, Tzd=f2P (5)
止水摩阻力Tzs, Tzs=f3Pzs (6)
水压力undefined
式中:nT摩阻力安全系数, 取1.2;nG启门力时的闸门自重修正系数, 取1.01.1;
G闸门自重kN;Gi加重块重量kN;WS作用在闸门上的水柱压力, kN;
Px启门时产生的下吸力, kN, 参照DL/T5039-95《水利水电工程钢闸门设计规范》附录D计算;
r0, r1, r2, r3, R2-分别为转动铰摩阻力, 止水阻力、闸门自重、加重块、下吸力, 启门力对弧形闸门转动中心的力臂, m;
f2, f3分别为支承、支水摩擦系数;P-作用在闸门上的总水压力;γ-水的容重;
B-水压力作用在闸门上的宽度。
FO=C2+K1Hundefinedf2+G (8)
式中:C2与水压力无关的常数量;K1比例系数。
整理得卷筒壁上的应力:σp=C (C2+K1Hundefinedf2+G) (9)
式中undefined
其他符号的意义见以上分析。
1.2 卷筒轴的承载力
卷筒轴的结构及受力分析, 如图1所示。
图中:Pz卷扬总成 (包括卷筒、大齿轮、卷筒轴等) 的重量, KN, 看作常量;
Pt大齿轮圆周力, KN; Pr大齿轮径向力, KN; Smax钢丝绳的最大拉力, KN;
Pa1、Pb1钢丝绳、卷筒、大齿轮等在卷筒轴上的作用力, KN;
Pay、Paz、Pby、PbzA、B处轴承在Y轴方向、Z轴方向的支承力, KN;
L1、L2卷筒、大齿轮轮毂力作用点A1、B1至轴承支承点A、B之间的距离, mm;
L3卷筒轮毂与大齿轮轮毂力作用点A1、B1之间的距离, mm。
大齿轮圆周力Pt、径向力Pr由下式计算:
undefined (10)
Pr=Pttga (11)
式中:R卷筒半径, mm, 为常量;r2大齿轮分度圆半径, mm, 为常量;
α齿轮压力角, 为常量;n滑轮组的倍率;η滑滑轮组的效率。
对卷筒轴进行受力分析, 确定出卷筒轴所受各力的大小, 作出卷筒轴弯矩图, 由弯矩图, 确定出卷筒轴合成弯矩最大点处, 按合成弯矩公式M合undefined计算卷筒轴的最大合成弯矩。可记为:
M合=C′1+K′1Hundefinedf1+C′3G (12)
式中:C′1、K′1C′3仅与卷筒、卷筒轴及开式大齿轮重量及其结构参数有关的常量;
M合计算截面的最大合成弯矩, Nm。
根据卷筒轴弯曲应力计算公式:
σ弯undefined
式中:d计算截面处轴的直径, mm, 为常量;σ弯轴的弯曲应力计算值, Mpa。
1.3 卷筒的极限状态方程
以上分析了启闭机卷筒的卷筒壁和卷筒轴的应力, 对于卷筒臂当其强度大于接触应力, 即σ′p>C (C2C1+C2K1H2Sf1+C2G) 时可以保证能安全, 对于卷同轴, 当其所承受弯曲应力小于其弯曲强度即:σ′弯>C (C2C′1+C2K′1Hundefinedf1+C2C′3G) 时, 才能不实效, 所以卷筒的极限状态方程和安全可靠度为:
卷筒壁强度的极限状态方程Z3和可靠度R3。
Z3=σ′p-C (C2C1+C2K1Hundefinedf1+C2G) =0 (14)
R5=[σ′′p>C (C2C1+C2K1Hundefinedf1+C2G) ] (15)
式中:σ′p-卷筒壁材料的抗压强度, σ′p=σs/1.5, σs为屈服强度;
undefined, 其它符号意义同上。
卷筒轴强度的极限状态方程和可靠度为:
Z4=σ′湾-C (C2C′1+C2K′1Hundefinedf1+C2C′3G) =0 (16)
R4=[σ′湾>C (C2C′1+C2K′1Hundefinedf1+C2C′3G) ] (17)
式中:σ′湾轴材料的弯曲强度, Mpa;undefined。
一般都将σ′p、σ′湾看作正态随机变量, 由手册可查其均值, 根据文献查其变异系数, 标准差即为均值和变异系数的乘积。其它符号意义参考以上的分析。
2 随机变量的统计分析
2.1 应力相关参数的分布
作用水头:闸门作用水头HS与门前水位H0是成线性关系, 具有相同的分布特征。文献提供了全国81座大型水库的坝前多年峰水位的均值和标准差, 在给定α=0.05置信度下进行K-S检验, 所有水库门前年峰水位均同时满足正态分布、对数正态分布, 大多数也同时满足极值I型分布。其中正态分布与对数正态分布的拟合度最好, 两者合计占统计总数的81.5%强;三种分布中, 又以正态分布的拟合度为最佳。为此, 门前年峰水位按正态分布来处理。所以, 闸门作用水头亦服从正态分布。
闸门自重:闸门重量的变化与闸门构件的锈蚀状况有着密切的关系。闸门的锈蚀率决定了闸门自重的变化。通过对21个工程共45扇闸门的锈蚀率资料进行统计分析, 并用K-S法进行假设检验。检验结果表明:闸门锈蚀率不拒绝正态分布和对数分布, 以正态分布的拟合度最好。因此可认为闸门锈蚀率服从正态分布, 而闸门的锈蚀量与锈蚀率具有相同的分布。假定闸门上每块钢板的宽度、高度都是固定值, 只有厚度方向的变化, 所以闸门锈蚀量与闸门厚度的变化量呈线性关系的, 又其重量和厚度也是成比例变化的, 即闸门自重与锈蚀率具有线性关系, 闸门自重的变化量服从正态分布。
摩擦系数:影响支承摩擦系数的因素很多, 不同类型的闸门, 不同型式的支承, 其摩擦系数不同;同一型式的支承, 当材料、作用压强。老化程度、承压时间以及运行状况不同时, 摩擦系数也不同。根据资料对丹江口堰顶平面闸门CB-2B材料支承滑道的支承摩擦系数的分析, 其静摩擦系数不拒绝正态分布、对数正态分布和极值I型分布, 以正态分布的拟合度最好。文献对材料摩擦系数的分析中, 认为以正态分布的拟合度为最好, 所以, 摩擦系数可认为呈正态分布。
2.2 强度相关参数的分布
试验表明, 材料的强度具有统计性, 大量测试数据的积累和分析表明, 材料的静拉伸屈服极限、强度极限、延伸率和硬度均可用正态分布描述。各种材料的强度极限均值和强度极限的标准差, 可在相关文献中查到。现有手册中一些强度参数的取用可按“3σ法则”来处理。
在卷筒正常工作时, 必须要保证卷筒臂与卷筒轴同时安全。
3 实例
某工程底孔工作闸门和启闭机, 所用弧形钢闸门的一些参数参考其图纸。经对工程数据的统计分析得:各随机变量Hs (m) N (46.717, 5.1) ;闸门自重G (KN) N (525.105, 8.28) 摩擦系数f2N (0.185, 0.070) 。
卷筒为焊接件, 其主要参数:L=2150 (mm) , D=800mm, δ=35mm, t=32mm, 其受压强度:σ′p=σs=1/5, σz为屈服强度, σs=270MPa, σ′p=σs/1.5=180.0MPa, 金属材料的屈服强度的变异系数C=0.10, 所以卷筒壁材料的抗压强度的标准差:C=0.10σσ′p=18, 卷筒计算知可靠度指标β为7.9, 可靠度为:0.99807, 失效概率为:1.93E-11。
卷筒轴尺寸及卷扬总成重量的参数:卷筒轴材质为45钢, d=143.2 (mm) 卷扬总成重量Pz=29000 (N) , L1=185 (mm) , L2=165 (mm) , L3=2150 (mm) , 屈服点σS=290MPa;卷筒轴按静强度进行可靠度分析, σ′弯undefined为强度安全系数, 取n=1.6, 则:取变异系数C=0.10, 则其标准差σσ弯=18.13, 可靠度指标β:8.2, 可靠度:0.910403, 失效概率:9.57E-12。
从计算结果可知:卷筒壁受压的可靠度为0.099807, 可靠度指标为7.9, 失效概率为:1.93E-11;卷筒轴的弯曲可靠度为0.910403, 可靠度指标β:8.2, 失效概率:9.57E-12。
4 结论
对影响卷扬式启闭机卷筒载荷和强度的随机变量进行了统计分析, 建立了启闭机启门时卷筒的极限状态方程, 量化了卷筒的可靠度分析, 方法简便易行, 这也使分析结果更符合工程实际。
摘要：启闭机卷筒的设计、制造和使用中一直沿用安全系数评判安全度, 此文基于可靠度分析的基本原理, 根据卷筒的工作特点及主要失效模式, 建立了卷扬式启闭机卷筒可靠度分析的数学模型, 并结合工程实例进行计算分析, 结果表明, 可靠度分析方法克服了传统安全系数法的特点, 更为科学。
关键词：卷扬式启闭机,卷筒,可靠性
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可靠性理论 第6篇
关键词：土木工程,结构,可靠性,理论,分析,影响因素
0前言
结构可靠性不仅关系到生命财产安全, 而且关系到社会生产的可持续性发展。我国在研究工程结构可靠性上, 开展了很多的理论性的整理分析、资料的收集等工作, 并且对结构工程实践做了总结, 借鉴了国际标准ISO2394:1998《结构可靠性总原则》, 提出了施工系统的可靠性理论。
1 结构可靠性基本理论
工程结构主要是由相关材料构成的各种构筑物和建筑物。建筑结构的耐久性是指:结构在正常使用、无故意破坏情况下, 维护的情况下, 具有耐久的性能。建筑结构的安全性跟我们通常所认为的安全的概念不同, 我们所认为的安全是不造成人身安全和财产的损失, 而建筑结构的安全性是在正常施工条件下, 正常使用条件下, 结构需要具有承受可能会出现的各种外界对结构的作用, 在所预计的事故发生之前或事故发生之后, 建筑结构依旧可以保持计划的整体稳定的性能。我国对建筑工程结构的安全等级大致分为三类: (1) 安全等级第三级:次要房屋, 比如车棚、临时仓库等, 破坏后果不严重; (2) 安全等级第二级:一般的房屋, 比如民用建筑或工业建筑, 破环后果严重; (3) 安全等级第一级:重要的房屋, 比如体育馆、电影院、核电站、歌剧院等这类的建筑, 破环后果很严重。同一结构中各类构件的安全等级与整体结构的安全等级相同最好。
可靠性设计基本理论包括设计使用年限与设计的基准期。设计使用年限就是说结构在保持设计、施工、使用都正常的情况下应该达到的使用年限。我国工程结构规定中, 建筑结构设计基准期是50年, 桥梁结构设计基准期是100年, 沥青混凝土路面的设计基准期不能大于15年, 水泥混凝土路面结构设计基准期不能大于30年。
结构可靠度与结构设计使用年限之间有一定的联系, 结构的可靠度三要素, 即规定的时间、条件、预定功能。规定的时间就是建筑结构应该达到的设计使用时间;规定的条件就是不考虑人为造成的过失或者错误对结构造成的影响, 也不考虑结构任意改建等原因造成的不良影响, 结构的正常施工、使用、维护;预定的结构功能就是结构设计应满足结构各项使用功能。
另外, 结构的可靠度还与失效率有关, 失效概率越小, 结构的可靠性则越好, 相反的, 失效概率越大, 结构的可靠性越差。当建筑结构实际使用年限超过预期的结构设计使用年限时, 并不是说结构会立即失去使用性能立即报废不能使用。各类建筑结构设计使用年限大致分为了四类:第一类是临时性的建筑结构, 它的结构设计使用年限是5年;第二类是易于替换的建筑结构构件, 它的结构设计使用年限是25年;第三类是构筑物和普通的房屋, 它的结构设计使用年限是50年;第四类是特别重要的建筑结构和具有纪念性的建筑物, 它的结构设计使用年限相对较长, 是100年。建筑结构的设计使用年限不等于结构的设计基准期。
当建筑结构出现以下任何一种情况, 则认为超过了承载力极限状态: (1) 结构或者构件失去稳定性; (2) 整个结构或者构件发生倾覆、侧滑失去平衡; (3) 结构构件或连接因超过材料强度而发生疲劳破坏, 或者因为变形而不能继续作为承载的构件; (4) 地基失去承载能力而发生失稳。可以以可靠性理论为基础, 把影响建筑结构可靠性的几乎所有参数都作为随机变量, 运用概率论和数据统计分析全部参数或者部分参数, 计算结构的可靠指标或者失效概率, 以此来设计或者校核结构。
2 可靠度设计方法
假设将影响结构功能的因素归结为结构抗力和荷载效应, 则可以采用以下结构设计式:设计中取荷载效应和结构抗力的值与一个常数的乘积, 小于或者等于结构抗力的均值。如果采用单一系数表达式, 它的安全系数与抗力和荷载效应的变异系数以及设计要求的可靠度指标与安全指标β有关系。由于设计时设计条件不统一, 所以, 安全系数与抗力和荷载效应的变异系数也会在一个较大的范围内发生变化, 为了使设计与规定的目标可靠度指标相一致, 安全系数也会随设计条件的变动而发生相应的变动, 如此一来, 给实际的工程设计带来很大不便。
当采用中心点法计算的时候, 虽然计算简便, 但是也存在一些缺点, 比如说, 同一个问题采用不同形式的功能函数即不同数学表达式的极限状态方程, 可靠指数计算值就可能会有所不同, 或者相差较大, 或者基本变量的分布不是对数正态分布或正态分布, 会使结构可靠度的计算结果与实际结果有很大的出入, 不能采用。对于非线性的功能函数, 在平均值处展开不太合理, 而且展开时只保留了线性项, 所以可能存在较大的线性计算错误。所以对于非线性功能的函数, 线性化近似不是选在中心点均值处, 而是选在失效的边界上, 即已经通过极限状态方程上的某一个点的切平面作线性近似, 可以提高可靠度的计算精度。
结构可靠度设计还有一个表达式, 就是采用分项系数设计表达式。采用分项系数设计表达式的优点在于:它可以对影响结构可靠度的各种因素分别进行研究, 不同的荷载效应可以根据荷载的变异性质, 采用不同的荷载分项系数、结构抗力分项系数, 可以根据结构的工作性能不同而采用不同的数值。实际中结构荷载的效应, 通常是两个或两个以上荷载效应组合, 而且荷载效应不一定为对数正态分布或者正态分布。另外结构的极限状态方程也很有可能是非线性形式, 当进行结构设计时, 一般可以认为结构的抗力符合对数正态分布, 它的变异系数即二阶统计参数是一定的, 可以预先确定, 建筑结构设计主要是求取结构抗力的平均值参数。
自从我国从建设规范的结构设计体系过程中, 将具有可靠性的结构理论融入了进来之后, 我国学者先后展开了有关于结构可靠性方面的深入研究, 并取得了极大的进展, 促进了我国结构工程的进一步发展。现在的结构可靠指标仅仅在结构极限状态方程非线性程度不高的时候适用, 它是对于线性或线形化极限状态方程。在实际工程应用中, 除活荷载外, 结构的恒荷载和结构的相互作用力是相关的, 这时需要根据变量之间的关系来分析结构的可靠度, 所以说结构可靠度分析的方法只是局限于结构随机变量之间的关系、不相互作用的前提下。
3 结构功能函数的基本变量
功能函数为多个随机变量组成的非线性函数, 或者不为对数正态分布或者正态分布时, 可靠指标很难直接用包含基本直接变量统计参数的公式来计算。
四阶矩方法的结构可靠度分析是根据信息论中的最大熵原理, 同时也考虑了结构极限状态方程的非线性化的影响, 提出的可靠度的不交化最小路集的复杂网络系统实现的新方法。根据不交化原理进行进一步计算, 根据可靠性原理的复杂网络的系统, 可以建立施工系统可靠性的算法模式。为了进一步有效地计算复杂施工网络系统的可靠度, 可通过编制计算机程序, 运用邻接矩阵法求解复杂网络来进一步实现, 可以解决复杂极限状态方程不易求导的问题。
土木工程建筑结构的耐久性和安全性的问题, 直接关系到人身、财产的安全, 一直是设计者与使用者非常关注的问题, 并与国家现行建筑政策、法律法规以及未来的经济发展有着密不可分的关系, 是一个较为复杂的系统工程的问题。我国在可靠性基本理论方面的研究工作主要包括: (1) 结构体系可靠性问题; (2) 关于建筑结构疲劳的可靠性的问题; (3) 关于建筑结构动力的可靠性的问题; (4) 关于岩土工程方面的可靠性的问题; (5) 关于已有的工程结构的可靠性的鉴定问题。
4 项目可靠性的鉴定与分析
在结构构件可靠度研究分析基础上, 必须进一步地去研究建筑结构构件体系的可靠性及建筑结构构件体系的失效概率。结构构件包括脆性结构构件和延性结构构件, 脆性构件, 比如钢筋混凝土受压柱, 一旦失效就立即完全失去承载力, 延性构件受拉构件或者受弯构件达到屈服的承载能力, 依旧可以保持承载力继续变形, 也就是说, 失效以后依旧可以保持原有的功能和承载能力。
建筑工程系统的可靠性需要从工程建设的思想观念以及建筑工程建设的实际情况等方面进行考虑。建筑工程项目的可靠性主要指建筑工程能够在规定的条件下, 对工程施工的可靠性进行设计、管理以及维修等方面进行分析设计。施工过程系统的概念主要来源于工程施工的生产过程。在经济规模不断扩大的过程中, 工程建设的科学性设计及其管理的可靠性容易出现各种问题。
结构工程质量的可靠性可以通过质量评定来进行分析。相关的文件表明, 要把从前的质量评定标准和质量检验标准分开进行检验, 质量预验收项目的标准和程序分开进行, 可以在工程项目建设的过程中将各个项目进展安排得更合理, 促进项目建设的可靠性。
结构的破坏性质是按照延性破坏和脆性破坏来确定的可靠指标, 脆性指标大于延性指标。建筑结构功能可靠度函数具有的特点, 为多个随机变量组成的非线性函数, 分析结构可靠度时需要进行近似简化, 即采用近似概率法, 且变量并不是都符合正态分布和对数正态分布。从整个工程建设的过程来看, 对项目的验收主要有分项目部、分部以及单位对项目的建设进行验收。质量控制和质量验收在相应的基础上进行。施工单位根据优化项目工程的要求, 对相关的可靠性进行分析, 选择合适的施工项目建设标准。
考虑抗力随时间变化的结构可靠度分析。结构在进入老化期后, 抗力随时间不断衰减。这属于时变可靠度的范畴, 但所考虑的结构抗力衰减不是由环境腐蚀引起的, 而是所经历的荷载作用累积损伤的结果, 而且其分析方法与结构疲劳可靠度又有所不同, 所以, 可靠度分析结果往往不尽合理。
5 影响结构可靠性的因素
5.1 材料强度
强度是结构材料的一项重要技术性能, 指材料在受力时, 单位面积抵抗外力破坏的能力。可靠性是在规定的时间条件下满足耐久性、安全性、稳定性的要求。以混凝土为例, 普通混凝土是由水泥、粗集料、细集料与水拌合, 经硬化而成的一种人造石材, 影响混凝土强度的因素包括水泥的强度等级、水灰比 (用水量与水泥用量之比) 、粗集料 (水泥浆体与集料的粘结力和集料的表面状况有关) 、养护条件、龄期 (混凝土拌合成型后所经过的养护时间) 。
除了上述因素外, 施工条件、外加剂 (减水剂或早强剂) 等也会影响混凝土的强度发展。
5.2 材料耐久性
建筑结构中最常用的混凝土, 除了要具有结构设计所要求的强度外, 还要具有与工程所处环境条件相适应的特殊性能。处于严寒环境中的外部工程, 要具有一定的抗冻性能以及其他环境中需要的耐热性、耐酸性、耐磨性等。
5.2.1 抗渗性
抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的性能, 它主要与密实度以及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土内部相互连通的孔以及成型时由于振捣不实而产生的孔洞都会造成混凝土渗水, 所以, 在施工中应提高混凝土的密实度或者加引气剂、减水剂等, 以提高抗渗性。
5.2.2 抗侵蚀性
混凝土的抗侵蚀性与所选的水泥品种、孔隙特征和混凝土密实度有关。有封闭孔的混凝土, 环境水不容易侵入, 抗侵蚀性强。
5.2.3 提高耐久性的措施
除了合理地选择原材料, 提高混凝土的密实度也是提高耐久性的一个重要措施。所以, 在施工中应该控制单位体积中的最小水泥用量和最大水灰比, 并且应搅拌均匀, 精心振捣、加强养护, 使混凝土能够充分密实, 保证混凝土的施工质量。
6 可靠性研究
采用可靠性理论的优势是在规定的时间和条件下, 工程结构完成预定功能的概率, 是工程结构可靠性的概率度量。工程结构可靠性, 是指在规定时间和条件下, 工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。由于影响可靠性的各种因素存在着不定性, 如荷载、材料性能等的变异, 计算模型的不完善, 制作质量的差异等, 而这些影响因素是随机的, 因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。结构能够完成预定功能的概率, 称为可靠概率;结构不能完成预定功能的概率, 称为失效概率。
结构可靠度方法的重要意义在于对结构安全性检验提出了建立在概率分析基础上的一系列的标准。应综合考虑工程结构中的各种不确定因素, 对结构可靠性有一个客观的统一度量。这种设计方法认为, 考虑作用于结构的真实承载能力, 并且力求达到最佳的经济效益, 将失效概率限制在人们实践所能接受的程度上。
概率设计法能够根据设计进行分析计算已确定结构的可靠度;或根据任务提出的可靠度指标, 确定构建的参数。
7 结语
在不断发展的现代社会, 人类的需求对结构的可靠性提出了新的需求, 在今后的理论实践中, 要根据已有的可靠性研究提出新的方法, 不断创新, 提高结构的可靠性, 这样才能推动我国建筑行业的进步和发展。[ID:003365]
参考文献
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可靠性理论 第7篇
我国的建筑施工行业具有作业难度大、作业环境差、从业人员素质不高等特点, 是一个安全事故多发的行业。将可靠性理论应用在建筑施工事故防范上, 具有重要的现实意义和光明的前景, 是“以人为本”的安全管理理念的具体体现。
系统安全科学的发展与可靠性理论及工程密切相关。系统可靠性越高, 发生故障的可能性越小, 系统越安全。实际上, 许多系统安全分析理论和方法都是可靠性工程的应用或扩展。可靠性理论从电子技术领域发展起来, 近年来发展到机械技术及现代管理领域, 成为一门新兴的边缘学科[1]。它的任务就是研究产品的可靠度, 提高质量、经济效益以及系统的安全、可靠性。在可靠性理论中, 通过可靠性分配, 可以将规定的系统可靠性指标自上而下, 由大到小, 由整体到局部, 逐步分解, 将系统的整体可靠度分配到各子系统、设备或者元器件等。
现有的建筑施工安全领域的研究大多是从管理体制、施工人员素质、法律法规与安全文化建设等角度来研究建筑施工安全管理体系的构建[3]。这些研究对于建筑施工安全管理具有非常重要的意义, 但是却忽视了该体系建设的可靠性。在体系工作过程中, 倘若某个环节失效或发生故障, 从而导致整个体系瘫痪, 将会给建筑施工带来不可估量的损失。鉴于可靠性工程的许多分析方法都能用于安全系统工程领域, 本文将可靠性分配理论与系统安全分析相结合, 在给定建筑施工安全系统防御目标值条件下, 建立可靠性分配模型, 确定基本事件可靠度, 从而为建筑施工安全管理系统的优化提供理论依据。
2建筑施工安全管理系统可靠性模型
对建筑施工安全管理系统可靠性的研究, 需要给出建筑施工安全系统功能的定义。根据建立建筑施工安全管理系统的目的, 本文认为可定义建筑施工安全管理系统的功能为最大限度地防止建筑施工事故或灾害的发生, 在事故一旦发生时, 系统应能启动相应的应急预案, 进行人员救助和财产保全, 对事故进行控制和后处理, 防止次生事故的发生, 迅速进行事故紧急修复以保证施工作业的正常进行。按照时间序列分析, 这一功能包含4个重要环节:①事故预防;②事故预警;③应急反应;④事故控制及后处理。
根据对建筑施工安全管理系统功能的分析, 图1给出了建筑施工安全管理系统组成。
根据建筑施工安全管理系统的特点, 应当将其作为可修系统考虑。就任务可靠性而言, 建筑施工安全管理系统的相应任务可靠性简化模型如图2所示。建筑施工安全管理系统可划分为事故预防和应急处理两个单元, 其中应急处理为由事故预警、应急反应和事故控制及后处理3个子系统组成的应急处理虚单元。只有这两个单元全部失效, 才会导致整个系统功能的丧失。在应急处理虚单元内, 事故预警、应急反应和事故控制及后处理3个子系统中的任何一个失灵, 都会造成应急处理虚单元功能的丧失。因此, 建筑施工安全管理系统任务可靠性是一个如图2所示的混联模型。根据图2, 建筑施工安全管理系统从整体上而言是一个并联系统, 其任务可靠性的数学模型[4]为:
undefined
式中, Rs系统的整体可靠度;RA事故预防子系统的可靠性;RB事故预警、应急反应和事故控制及后处理3个子系统总的可靠性。功能分析表明, 该3个子系统的可靠性模型为串联关系, 即:
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式中, RB1事故预警的可靠性;RB2应急反应子系统的可靠性;RB3事故控制及后处理子系统的可靠性。
图2及式 (1) 、式 (2) 只是反映了系统与子系统之间的关系。而建筑施工安全管理系统可靠性的分析必须尽可能多地考虑中间事件和基本事件对系统功能的影响。基于对建筑施工安全管理系统功能构成的分析, 借鉴董华等人在城市公共安全系统可靠性方面的研究[5], 图3给出了建筑施工安全管理系统故障树。
根据图3及系统相关性分析, 可得:
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依据式 (3) 和图3可以方便地进行建筑施工安全管理系统可靠性的预计和分配, 按照最弱环节理论寻求改善和提高建筑施工安全管理系统可靠性的途径。
3建筑施工安全管理系统可靠性分配
对于一个已经建立的建筑施工安全管理保障体系, 为实现最大安全保障效能, 对系统的安全目标值自上而下进行分解, 分配至各子系统是非常实用的一种方法。目前经常应用的可靠性分配方法[4]有:等分配法、AGREE分配法 (电子设备可靠性咨询组分配法) 、航空无线电公司分配法、目标可行性法、最小工作量算法和动态规化法等。
可靠性分配可由下面的基本不等式描述[4]:
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式中, R*s系统的可靠性指标;Rs系统的实际可靠度;g*s对系统设计的综合约束条件, 包括费用、重量、体积、功耗等因素;gs系统的实际综合约束条件。
作为一个线性规划问题, 如果目标函数恰好与约束条件平行, 当目标函数向优化方向移动时, 与可行域不是在一个点上, 而是在某一条线段上相切, 该线段上所有点都能使目标函数得到最优解[6];因此即便有约束条件式 (5) 时, 目标函数式 (4) 也仍然可能有多个解。可靠性分配的关键在于:根据具体的条件选择与所提出的系统目标相匹配的分配方法以得到合理的可靠性分配值的优化解。
为实现建筑施工安全系统安全目标的可靠性分配, 笔者提出的建模思想是:结合故障树分析方法的特征, 对混联系统的第一层次各单元之间采取最小工作量可靠度再分配法, 然后对第二层各单元再进行下一层次的可靠度分配法, 依此类推, 直至分配至基本事件为止, 即对系统的可靠度采取多个层次进行分配。在需要调整可靠度的同一层次各单元之间采取等分配法。
将组成第一层次各单元的下属单元当作一个整体, 计算得到下属单元构成的第一层次各单元的可靠度分别为R1, R2, , Rm, 根据其可靠性大小, 由低到高将其依次排列如下:
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按可靠性再分配原理[7], 把可靠性较低的R1, R2, , Rk0, 都提高到某个值R0, 而原来可靠度较高的Rk0+1, , Rm保持不变, 则系统可靠度Rs为
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式中, k0需提高可靠度的最小单元数。
如果确定了k0和R0, 就能得出需要调整的单元或分系统的可靠度。k0可以通过下式推定[7]:
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式中, n为分系统或单元数, Rn+1=1。当j值满足式 (8) 时, 即得k0=j, 有:
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于是, 由式 (7) 、式 (8) 、式 (9) 可以确定各单元的可靠度。对于可靠度不变的单元, 其下属单元的可靠度也不改变。
当然, 各中间事件可以依次类推将可靠度分配至最基本事件, 从而对系统进行合理优化。对于包括多种功能的建筑施工安全管理复杂系统, 系统下属基本事件包括多种功能属于多功能系统。对其进行分析, 这时应按逻辑代数的运算法则把系统可靠度表达式先化简再代入数值计算。杨静[8]、景国勋[9]等人把可靠性分配与故障树最小割集结合起来, 较好地实现了系统的安全性目标。
4方法的实践应用
为便于上述研究结果在建筑施工安全管理领域得到应用, 以图4所示[10]的建筑施工过程中常见的脚手架坠落事件为例阐明可靠性分配的计算过程。
假设各基本事件是相互独立的, 且各基本事件初步确定的可靠度及系统要求的可靠度目标值为:R*s=0.9800, RA11=0.9800, RA12=0.9600, RA21=0.9500, RA22=0.8400, RB1=0.9500, RB2=0.9500。基本事件的可靠度由基本事件发生概率F按照R=1-F计算得到。
根据式 (1) 及式 (2) , 容易求得各中间事件和顶上事件的可靠度分别为:RA=0.7508, RB=0.9025, RA1=0.9408, RA2=0.7980, Rs=0.9757。
显然, Rs
把上述数据代入式 (8) 求出k0, 容易得到k0=1, 即A22需要提高可靠度。
undefined。验证该单元系统的可靠度:Rs=R0undefined。
至此, 各单元的可靠度都已重新分配, 系统满足了规定的可靠度指标, 各单元的可靠度为RA11=0.9800, RA12=0.9600, RA21=0.9500, RA22=0.8894。
比较重新分配后的可靠度与原始的可靠度可以发现, 仅仅通过改变少数几个单元的可靠度, 就能够使系统的可靠度达到要求, 并且需要改变可靠度的单元都是系统中可靠度较低的单元。本例中, 实质上仅仅对A22即“忘记戴安全带”这一基本事件的可靠度进行了提高, 就实现了整个系统安全可靠程度的提高;而在实际施工生产中, 要提高这方面的可靠性, 需要加强对施工人员的教育, 也就是说, 对施工人员进行必要的岗前培训, 加强企业安全文化建设是保障施工安全、减少人员伤亡的最有效途径之一。
5结论
(1) 将可靠性理论方法成功地引用到建筑施工安全管理系统分析、评价和控制中, 有利于提高建筑施工安全管理系统运行的可靠性, 极大地实现建筑施工安全保障效能, 减小事故损失。
(2) 通过重新分配后的可靠度与原有可靠度比较发现, 需要改变可靠度的单元都是系统中可靠度较低的单元。该发现对优化系统结构、积极开展施工事故预防工作具有重要指导意义。
(3) 应用可靠性分配理论与FTA相结合所建立的可靠度分配模型能够在给定的建筑施工安全目标值情况下, 能较好地实现系统中各单元可靠度的优化分配。
摘要：针对建筑施工安全管理体系, 从系统可靠性的视角, 综合运用可靠性方面的知识, 构建了建筑施工安全管理系统混联模型。在此基础上, 将可靠性分配理论与故障树分析方法相结合, 根据系统安全目标的要求, 确定混联系统的第一层次各单元事件的可靠性目标值, 对构成各单元的各个下属单元采取最小工作量可靠度分配方法, 以此类推, 从而建立系统中各单元可靠度再分配量化模型。为便于应用, 通过建筑施工过程中常见的脚手架坠落实例, 详述系统各单元可靠性分配的计算过程。研究表明, 可靠性理论可以成功地应用到建筑施工安全领域;使系统在给定的目标值条件下达到系统的安全性优化, 从而实现建筑施工安全保障效能, 减小事故损失。
关键词：建筑施工安全,可靠性分配,故障树分析 (FTA) ,任务可靠性模型
参考文献
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可靠性理论 第8篇
TRIZ理论, 即“发明问题解决理论”, 表面的意思是强调解决实际问题, 特别是发明问题;隐含的意思是由解决发明问题而最终实现技术和管理创新。
TRIZ理论从最通俗的意义上讲就是创造性地发现问题和创造性地解决问题的过程, TRIZ理论的强大作用正在于它为人们创造性地发现问题和解决问题提供了系统的理论和方法工具。利用TRIZ理论原理解决问题的方法如下:首先, 将一个待解决的实际问题转化为问题模型;然后, 针对不同的问题模型, 应用不同的TRIZ工具, 得到解决方案模型;最后, 将这些解决方案模型应用到具体的问题之中, 得到问题的解决方案。在利用TRIZ解决问题的过程中, 设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题, 然后利用TRIZ中的工具, 如发明原理、标准解等, 求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解 (Analogous solution) ;最后设计者在把该解转化为领域的解或特解。
1 提出问题
随着电网建设和改造的不断深入, 我国工业电网建设采用了许多先进的技术和管理方式。若电网基础设施建设不合理, 造成电网线变损较大, 管理和维护费用较高, 将直接影响企业的经济效益。
在工业电力设施建设中, 大面积低压供电已成为工业电力需求的必然, 而低压供电系统的可靠性将成为影响企业生产的决定性因素。最大限度地挖掘低压供电系统的可靠性, 有效地降低线变损是未来企业发展的关键问题。在有限的建设资金下, 采用什么样的技术手段供电, 如何科学管理显得十分重要。
低压工业供电方式多为单母线分段供电方式, 供电方式简单、便于操作, 但当电源出现故障时, 低压整段母线将全部失电, 将不利于设备的正常运行, 影响低压供电的可靠性。
问题:如何才能使供电方式简单、经济且不影响系统可靠性呢?
2 分析问题
1) 将待解决问题的技术矛盾提取出来
通过分析, 发现问题的关键在于供电方式的结构上。需要一种简单且不失稳定性的供电方式结构。对现在供电方式在结构上进行分析。
(1) 最简单的供电结构:单母线供电。如图1所示:
优点:结构简单、便于操作;
缺点:系统可靠性低。
存在的矛盾:供电方式结构简单了, 结果系统可靠性降低了。
(2) 最可靠的供电结构:双母线双电源供电。如图2所示:
优点系统可靠性增强
缺点:结构复杂、不便于操作且造价较高。
存在矛盾:系统可靠性增强了, 结果导致操作变得复杂, 造价较高。
现在存在这样的两个矛盾:
矛盾一:供电结构简单与系统可靠性降低之间的矛盾。
利用39个通用工程参数中的两个来表示它们。
需要改善的特性:33#操作流程的方便性;
系统恶化的特性:27#可靠性。
矛盾二:供电可靠性与操作复杂之间的矛盾。
需要改善的特性:27#可靠性;
需要恶化的特性:33#操作流程的方便性。
2) 从阿齐舒勒矛盾矩阵表中得到相应的创新原理
对应第33行第27列, 得到四个创新原理:
17#多维化原理;
27#一次性用品替代原理;
08#反重力原理;
40#复合材料原理。
对应第27行第33列, 得到三个创新原理:
27#一次性用品替代原理;
17#多维化原理;
40#复合材料原理。
3 解决方案
根据TRIZ理论给出的创新原理启示及现实情况分析, 利用多维化原理将单一电源的供电方式改为双电源自动切换的供电方式。即当其中任意一路电源失电时, 自动切换装置将把母线电源切换至另一路电源, 保证了系统的可靠性, 同时也不影响操作的方便性。
摘要：本文对电气低压系统供电的可靠性进行了分析, 并利用TRIZ理论技术矛盾等分析工具对影响供电可靠性的方面进行了分析, 最终利用TRIZ理论矛盾矩阵提出了较好的解决方案, 为低压电力系统供电可靠性研究, 提供了理论基础。
关键词：TRIZ理论,供电可靠性,技术矛盾,阿奇舒勒矛盾矩阵
参考文献
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可靠性理论范文
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