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多失效模式相关的结构系统可靠性分析.pdf

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北京印刷学院学报 年第期 多失效模式相关的结构系统可靠性分析 陈琳刘长海孟惠荣 中国矿业大学北京研究生部大庆石油学院中国矿业大学北京研究生部 摘要机械结构及零部件的可靠性分析,现在大部分均采用单一失效模式的理论 方法,而实际上,机械零部件的失效,绝大多数是由多种失效模式引起的,并且这些失效模 式往往是相关的。本文讨论了一种多失效模式相关的结构系统可靠性分析方法。与 有限元法相结合,提出了对于极限状态方程无解析表达式的复杂结构考虑多失效模 式相关的可靠性分析方法。并运用该方法对油田高压注水泵阀箱的屈服失效和断裂失效 两种失效模式进行了可靠性分析,提出了对其进行可靠性设计的改进意见。 关键词结构系统相关可靠性分析注水泵阀箱 一、月舀 在工程结构的可靠性研究领域中,应力一强度干涉模型已经得到了广泛的应用。文献〔、幻中 给出了各种应力、强度不同分布状态时,求解结构可靠度的一般表达式,为可靠性理论的发展及工 程应用带来了很大的方便。 实际上,工程结构与机械零部件的失效,绝大部分是由多种失效模式引起的。如压力容器的失 效,可能同时存在屈服、疲劳、断裂等失效模式。这种考虑多种失效模式问题的复杂性在于载荷之 间、强度之间,以及结构几何尺寸等存在某种相关性。结构系统的可靠性理论也必须考虑各失效模 式间的相关性,才能真正反映结构的实际情况。本文讨论了一种多失效模式相关的结构系统可靠性 分析方法。与有限元法相结合,提出了对于极限状态方程无解析表达式的复杂结构考 虑多失效模式相关的可靠性分析方法。并运用该方法对油田高压注水泵阀箱的屈服失效和断裂失 效两种失效模式进行了可靠性分析,得到了不同裂纹深度、不同裂纹长度时阀箱系统可靠度的变化 情况,提出了对其进行可靠性设计的改进意见。 二、多失效模式的系统可靠性理论 分析多失效模式的系统可靠性,通常是先计算失效模式的可靠度、,然后估计系统可靠度的 收稿日期一一 区间 左 ,而 式中为可能的失效模式数,‘。为个失效模式中的可靠度最小值。 ,。 由于失效模式间存在有相关性故式不能准确地反映实际的系统可靠度所以,多失效模式 相关时的系统可靠性理论及应用,一直是可靠性研究人员所关注的问题。 考虑具有个失效模式的系统,第个失效模式的极限状态方程为 ,,,,二,,,、 ⋯⋯‘了、夕二︸」、产工、协 系统综合极限状态方程为 ,,⋯,, 凡一 ⋯凡 则系统可靠度可表示为 二广︸户 ,,,, ‘”⋯⋯ 石门门凡 相关的失效模式间有正相关和负相关。设极限状态方程、一。和一。的相关系数为 ,,,。 今对于正相关即。时式成立,而对于负相关,即,时,式不成立这时由 凡,簇尸凡 可得及风簇尸及尸瓦 因系统可靠度不可能小于零,即尸君,故有 决 簇 式、式给出了系统可靠度的界限。但一般来讲该界限可能很宽,因此有必要做进一步的 考虑。 设系统失效为事件,则 ⋯凡 不失一般性,设,为中最大的集合,则可表示为 万,秀秀⋯凡君君⋯凡一 进一步可推得 艺〔瓦一习,〕 一,,, 尸⋯式镇尸一吧务凡 由式式。可得系统不可靠度的界限为 ,,,, 万〔一习〕簇簇艺一艺, 少一 式中、为失效模式所对应的不可靠度。 三、联合事件概率及相关系数的确定 由式可求得系统不可靠度很窄的估计区间。式中两两事件的联合概率尸瓦及相关系 数内的计算方法如下。 联合事件概率 可以证明,当相关系数时有 〔,〕镇,凡簇 相关系数时有 簇,凡镇〔,〕 式中一中一八中专瓮 一 一必一风中铸绪 相关系数 不同失效模式之间的相关系数定义为 ,,易一内、一份户 氏毛氏几 运用可靠性分析中设计验算点的概念,则协方差,,可表示为 ,,,、,·’ 一二一、一、一客篡,篡, 代入式得 一艺峪 式中盯为标准正态变量,城为标准正态空间的灵敏系数。 对于失效极限状态方程不能用显函数表达的复杂结构,可采用有限元法计算其 单元节点应力,在单元节点上建立极限状态方程,然后运用上述多失效模式的系统可靠性理论即可 进行可靠度计算。 四、注水泵阀箱系统可靠度计算 早期注水是提高油田采收率的有效方法。当前,高压注水已成为改造低渗透油气藏和开发深部 区域断块油田的重要手段。往复式高压注水泵是油田深层开发阶段所需高压注水的地面设备,其工 作可靠性和服役寿命直接关系到油田生产的经济效益和社会效益。阀箱是高压注水泵装置中最关 键的部件。阀箱的工作寿命直接关系到高压注水泵的服役寿命。往复式高压注水泵阀箱的结构如 图所示。 考虑阀箱屈服失效和断裂失效两种失效模式,取其失效极限方程为 才、月, 一口 凡。一凡 其中注水泵阀箱载荷服从正态分布,,阀箱材料为。,其屈服极限氏 服从正态分布,,断裂韧度犬,服从正态分布,侧而。 由于注水泵阀箱结构的复杂性,失效极限状态方程不能用显函数