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多失效模式相关的结构系统可靠性分析

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失效 模式 相关 结构 系统 可靠性分析
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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 , , … ,系 统 综 合 极 限 状 态 方 程 为, , … , ,, 多 失 效 模 式、、 协、工 、产夕︸二」了、了、、‘ 、凡 一… 凡则 系 统 可 靠 度 可 表 示 为, , … , , …门 凡户︸”‘广二门石相 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 , 〕尸 … 式 一 , 镇 尸 , 一由 式 式 。 可 得 系 统 不 可 靠 度 的 界 限 为吧 务 ,凡万 〔 , 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 中一 必 一 风 中专 瓮一 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 为一 口凡 。 一 凡月才 、 ,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 表 达 , 故 本 文 采 用有 限 元 法 计 算 阀 箱 的 单 元 节 点 应 力 , 在 单 元 节 点 上 建 立 极 限 状 态 方 程 , 运 用 上 述 多 失 效 模 式 的 系擎擎擎 下 缪缪 『『『 卫 缪缪、、、曲 岔岔 曰曰曰曰曰曰曰 尸 口口口 一 不不一一尸尸尸尸尸 二 〕〕父父父令令令燕燕燕 浑浑鱿鱿鱿 洲洲书书书 任任任曰曰 门门图 注 水 泵 阀 箱 结 构 简 图统 可 靠 性 理 论 进 行 可 靠 度 计 算 。从 阀 箱 存 在 表 面 缺 陷 的 实 际 出 发 , 用 数 学 方 法 将 表 面 缺 陷 抽 象 成 局 部 表 面 裂 纹 。 为 研 究 方 便 ,设 缺 陷 形 式 为 半 椭 圆 表 面 裂 纹 , 位 于 交 变 腔 孔 内 壁 的 轴 向 方 向 , 为 型 裂 纹 。 裂 纹 的 扩 展 方 向 沿 着交 变 腔 孔 的 径 向 方 向 。 裂 纹 尖 端 点 的 应 力 强 度 因 子 表 达 式 为了 一 〔 ‘ · ‘ “ 一 号 〕 。 盯 “中 一 氏 “式 中 为 裂 纹 深 度 尺 寸 。 为 裂 纹 表 面 尺 寸 中 为 第 二 类 椭 圆 积 分 , 与 。 有 关 。 为 裂 纹 尖 端 点 的 当地 应 力 。应 力 最 大 的 节 点 处 不 同 裂 纹 深 度 和 不 同 裂 纹 长 度 时 相 关 系 数 的 计 算 结 果 如 表 所 示 。表 相 关 系 数 计 算 结 果—由 表 可 见 , 相 关 系 数 均 大 于 零 , 故 采 用 式 计 算 联 合 事 件 瓦 的 范 围 。 然 后 将 计 算 结果 代 入 式 , 即 得 到 阀 箱 具 有 不 同 裂 纹 缺 陷 时 , 屈 服 失 效 与 断 裂 失 效 综 合 作 用 时 系 统 的 可 靠 度 。计 算 结 果 如 表 所 示 。从 表 所 示 的 结 果 , 我 们 可 以 得 到 不 同 裂 纹 深 度 、 不 同 裂 纹 长 度 时 注 水 泵 阀 箱 的 系 统 可 靠 度变 化 情 况 。 当 裂 纹 深 度 一 定 时 , 随 着 裂 纹 长 度 。 的 增 加 , 可 靠 度 减 小 当 裂 纹 长 度 一 定 时 , 随 着裂 纹 深 度 的 增 加 , 可 靠 度 亦 减 小 。 当 。 一 , 即 为 表 面 半 圆 形 裂 纹 , 一 时 , 可 靠 度。 当 裂 纹 深 度 , 裂 纹 长 度 时 , 亦 有 可 靠 度 。表 具 有 不 同 裂 纹 缺 陷 时 的 阀 箱 系 统 可 靠 度—由 上 述 阀 箱 系 统 可 靠 性 分 析 结 果 可 以 看 出 , 由 于 阀 箱 材 料 的 断 裂 韧 度 较 低 , 其 最 大 允 许 裂 纹 深度 仅 为 。 为 提 高 注 水 泵 阀 箱 结 构 可 靠 性 , 建 议 对 其 做 如 下 改 进改 进 阀 箱 的 结 构 。 阀 箱 结 构 的 有 限 元 分 析 结 果 表 明 , 交 变 腔 孔 与 柱 塞 孔 相 贯 处 的 峰 值 应 力 为, 是 交 变 腔 孔 其 他 部 位 应 力 的 倍 多 , 应 改 进 阀 箱 的 结 构 设 计 , 减 小 应 力 集 中 。改 善 阀 箱 的 热 处 理 工 艺 。 阀 箱 采 用 不 同 的 热 处 理 工 艺 , 其 使 用 寿 命 不 同 , 不 同 的 淬 火 温 度 对阀 箱 断 裂 韧 度 的 影 响 也 不 同 圈 。 在 阀 箱 表 面 “ 化 学 热 处 理 ” 的 基 础 上 , 应 进 一 步 改 善 阀 箱 的 热 处 理 工艺 , 以 提 高 阀 箱 结 构 抵 抗 断 裂 的 能 力 。五 、 结 论本 文 讨 论 了 一 种 多 失 效 模 式 相 关 时 结 构 系 统 可 靠 性 的 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 时 的 可 靠 性 分 析方 法 。 运 用 本 文 方 法 对 油 田 高 压 注 水 泵 阀 箱 系 统 进 行 了 可 靠 性 分 析 。 计 算 出 考 虑 屈 服 失 效 和 断 裂失 效 时 阀 箱 的 结 构 可 靠 度 。 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 。参 考 文 献金 国 梁 , 陈 琳 等 , 可 靠 性 与 优 化 及 其 在 石 油 工 业 中 的 应 用 中 国 科 学 技 术 出 版 社 ,凌 树 森 可 靠 性 在 机 械 强 度 设 计 和 寿 命 估 计 中 的 应 用 宇 航 出 版 社 , ·一 · · · · ·, 肠 · ·,李 光 福 等 淬 火 温 度 对 。 高 强 度 钢 应 力 腐 蚀 断 裂 抗 力 的 影 响 材 料 科 学 与 工 艺 ,气 ,二曰 ,一厂﹃气勺尸工
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