可靠性与系统工程研究文献综述报告.docx

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可靠性与系统工程研究文献综述报告

学位论文研究文献综述报告

（2011版）

工程领域：

系统安全与可靠性工程

研究方向：

液压机械装置可靠性研究

学生姓名：

指导教师：

完成日期：

2012-3-31

1英文摘要和关键词

摘要：

自20世纪20年代以来，结构可靠性理论和应用的研究已取得了重大进展。

许多国家开始研究在结构设计规范中的应用。

本文从结构可靠性基本理论和方法、结构体系可靠度、结构可靠度的Monte-Carlo模拟方法、结构承载能力与正常使用极限状态可靠度等方面，分三部分对结构可靠性理论和应用国内外研究的现状进行了概括性总结。

分析了工程结构可靠性理论的发展现状，介绍了结构可靠性设计的发展趋势，从而对可靠性技术在机械领域的应用和发展有一个全面的、客观的认识。

关键词：

工程结构可靠性理论发展

Abstract：

Greatprogresshasbeenachievedintheresearchofstructuralreliabilitytheoriesanditsapplicationssince1920s.Manycountriesintheworldhavestartedtryingtorevisestructuraldesigncodesorspecificationbasedonreliabilitytheory.Inthisarticlewecandividethetheoryintothefollowingaspects:

thefundamentaltheoriesandapproachesofstructuralreliability,structuralsystemreliability,Monte-Carlomodelinginstructuralreliabilityanalysis,aultimateandserviceabilitylimitstatereliability.Theseaspectsarediscussedinthreeparts.Thepaperanalysesthecurrentandfuturedevelopmentofprojectstructurereliabilitytheory,andthusgetsacomprehensiveandobjectiveunderstandingoftheapplicationanddevelopmentofthereliabilitytheoryinthemechanicalfield.

Keyword：

structuralreliability,reliabilitytheory,development

2研究方向阅读文献的概述

由于论文选题的方向为液压机械装置可靠性设计研究方向，所以文献检索主要针对机械产品可靠性方面，应用检索的主题词为：

机械可靠性设计，机械可靠性分析、结构可靠性综述等，检索到各种有关机械可靠性文献数量大约18篇。

其中包括中文文献约15篇、英文文献约3篇。

3所述研究方向国内外的研究现状、最新研究成果及发展趋势

3.1国内外研究现状

产品的质量与可靠性问题很早就已为人们所关注，但是作为一门学科，专业进行这一领域的研究还是近50年开展起来的。

早在热、二次世界大战期间，许多机械电子产品常常在战争的使用过程中出现故障，致使丧失了使用能力，如美国空军由于飞行故障而损失的飞机达两万架，是在战争中被击落的飞机的1.5倍。

于是，为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国军方及工业界有组织地开展了可靠性研究。

在这期间，具有影响的是1952年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组（AGREE）。

1955年A-GREE开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划，并于1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告。

该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法，确定了美国可靠性工程发展的方向，成为可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已成为一门独立的学科，是可靠性工程发展的重要里程碑。

20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。

在这10年中，美国先后开发出F-111A、F-15A战斗机、MI坦克、“民兵”导弹、“水星”和“阿波罗”宇宙飞船等装备。

这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求，因此1957年AGREE报告提出的一整套可靠性设计、试验及管理方法被国防部及国家航空航天局（NASA）接受，在新研制的装备中得到广泛应用并迅速发展，形成了一套较完善的可靠性设计、试验和管理标准，如MIL-HDBK-217、MIL-STD-781和MIL-STD-785。

在这些新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定了定量的可靠性要求，进行可靠性分配及预计，开展故障模式及影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA），采用余度设计，开展可靠性鉴定试验，验收试验和老练试验，进行可靠性评审等，使这些装备的可靠性有了大幅度提高。

例如，50年代的“先驱者号”卫星发射11次只有3次成功，而60年代发展的阿波罗登月船，除阿波罗13以外，每次发射都成功着陆在月球上并安全返回。

在这10年中，美、法、日及前苏联等工业发达国家也相继开展了可靠性研究。

20世纪70年代是可靠性发展步入成熟的阶段。

在这10年中，尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难，军费紧缩，但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。

这一阶段的主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构，负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题；成立全国性的数据交换网，加强政府机构与工业部门之间的技术信息交流；制定了一套较完善的可靠性设计，试验及管理的方法及程序。

为解决复杂武器系统投入外场使用后出现的战备完好性低和使用保障费用高的问题，从型号项目论证开始就强调可靠性设计，通过加强元器件控制，采用更严格的降额及热设计，强调环境应力筛选，可靠性增长试验和综合环境应力的可靠性试验，推行可靠性奖罚合同等一系列措施来提高武器装备的可靠性。

C20世纪80年代以来，可靠性工程向着更深、更广的方向发展。

在发展策略上，把可靠性和维修性作为提高武器装备战斗力的重要工具，使可靠性置于与武器装备性能、费用和进度同等重要的地位；在管理上，加强集中统一管理，强调可靠性及维修性管理应当制度化，为此美国国防部于1980年首次颁发可靠性及维修性指令5000.40《可靠性及维修性》；在技术上，深入开展软件可靠性、机械可靠性以及光电器件可靠性和微电子器件可靠性等的研究，全面推广计算机辅助设计（CAD）技术在可靠性领域的应用，积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。

产品的可靠性越来越受到人们的重视，随着研究的深入，越来越多的新方法应用到机械的可靠性设计中，使人们生产出来的产品可靠性越来越强，满足了社会的生产发展需要。

图1反映了机械可靠性设计的发展历程。

图1可靠性的发展历程

我国的可靠性工作起始于20世纪50年代末期，起步并不晚。

1959年建成亚热带亚热带研究所，但是有三四年的时间就夭折了。

由于众所周知的原因，在60年代可靠性工程在我国还是一片空白。

70年代我国的可靠性工作是从引进国外标准资料开始的，1976年颁布了第一个可靠性标准SJ1044—76《可靠性名词术语》，1979年颁布第一个国家标准GB1977—79《电子元器件失效率试验方法》，可靠性工程应用于电子、航天、电力、机械、仪表等部门取得不同程度的进展。

80年代，我国的各种可靠性机构学术团体想雨后春笋，迅速发展。

随着中国的改革开放和经济发展，在20世纪70年代后期，从解决国家重点工程元器件的可靠性问题开始，在军工和民用产品的可靠性研究有了飞速的提高。

特别是我国加入WTO之后，经济要与国际接轨，企业产品参与国际市场的竞争，进入国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。

用户不仅要求产品性能好，更重要的是要其产品可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。

美国人曾预言：

今后只有那些具有高可靠性指标的产品及企业，才能在日益剧烈的国际贸易竞争中幸存下来。

3.2最新研究成果

工程结构可靠性理论及其应用

结构体系可靠度：

（1）结构主要失效模式的搜寻。

分析结构体系的可靠度，首先要寻找结构可能会出现的各种失效模式。

在各种失效模式中只有失效概率值较大的一部分对结构体系的失效概率有明显的贡献，称为主要失效模式。

其他的则可以忽略掉，所以分析中只考虑这些主要的失效模式即可。

在这种情况下，寻找结构失效模式的过程也就变为搜寻主要失效模式的过程。

在找到结构主要的失效模式后，再应用多个失效模式的可靠度计算方法分析结构体系的可靠度。

因此一般而言，结构体系可靠度的分析包括寻找主要失效模式和概率计算两部分，而在寻找主要失效模式的过程中也要伴随着大量的概率计算。

目前已提出多种寻找结构主要失效模式的方法如网络搜索法、荷载增量法、分支约界法、约界法、截止枚举法、线性规划法及许多其它改进的方法，其中应用较多的是分支约界法。

当前寻找结构主要失效模式方法的研究目前仍在进行之中。

（2）结构体系失效概率的计算：

计算结构体系失效概率无论是并联体系还是串联体系都可归结为计算多维正态概率分布函数值的问题。

多维正态概率分布函数是根据由一次二阶矩方法确定的每一个失效模式的可靠指标，及全部失效模式间的线性相关系数建立的。

此外有的文献通过在线性化的多维极限状态方程中引入一个新的正态随机变量，将并联体系可靠度问题转化为一个极限状态方程的构件可靠度问题，这时的极限状态方程一般呈高度非线性要用二次二阶矩方法进行求解。

也有其他的求解方法及考虑多个功能函数非线性的二次算法。

结构可靠度的Monte-Carlo模拟方法：

Monte-Carlo方法是通过随机模拟来对自然界的客观现象进行研究的一种方法。

Monte-Carlo方法可以用来分析确定性问题，也可以用来分析不确定性问题。

由于结构可靠度所研究的是不确定性事件的度量问题，因此用Monte-Carlo方法分析结构的可靠度是很自然的。

除用于一些复杂情况的可靠度分析外，也常用于各种可靠度近似分析方法计算结果的校核。

用Monte-Carlo方法分析问题首先要产生随机数，然后再根据随机变量的概率分布进行随机抽样。

以往产生随机数常用的方法有随机数表法、物理方法。

目前则常采用基于数论原理的计算机方法，所得随机数称为伪随机数，其最大特点是产生速度快具有可重复性。

结构疲劳可靠度：

就承载能力极限状态而言结构有两种失效形式。

一种是首次超越失效即在设计基准期内，结构的荷载效应只要有一次（自然是第一次）超过结构的抗力，结构就会破坏。

另一种是累积损伤失效，即结构的破坏是由于荷载的反复作用使结构的损伤累积到一定程度而引起的。

结构承载能力和正常使用极限状态可靠度：

（1）承载能力极限状态可靠度。

进行概率极限状态设计，首先遇到的是安全标准问题，即设计中应该取多大的可靠度才是合适的。

结构安全标准的设置涉及到经济、社会、文化、公众心理和风险分析等多个方面。

具体的分析方法有对比法、经济优化法和校准法。

目前国际上实际应用的安全标准确定方法基本都是校准法。

校准法是通过对现行设计规范下的结构进行可靠度分析，经综合调整来确定未来结构设计（目标）可靠度的。

其特点是，对不同破坏后果（经济损失或社会影响）的结构及不同破坏性质（如延性破坏和脆性破坏）的构件采用不同的可靠度水平，但在总体上基本保持新旧规范可靠度水平的一致性。

（2）正常使用极限状态可靠度：

在结构设计中除了要保证结构在极端载荷下的安全性外，还要保证结构在正常使用载荷下具有必要的使用功能即满足适应性要求，相应的极限状态为正常使用极限状态。

按统一标准的规定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严重影响结构的正常使用。

一次二阶矩法

按照现行结构可靠度设计统一标准的定义结构可靠度为结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。

结构可靠性理论的研究,起源于对结构设计、施工和使用过程中存在的不确定性的认识，以及结构设计风险决策理论中计算结构失效概率的需要。

早期的可靠度计算方法是只考虑随机变量平均值和标准差的所谓“二阶矩模式”。

可靠度用可靠指标表示。

对于结果功能函数随机变量服从正态分布的情形，在概率密度曲线坐标中，功能函数的平均值为曲线的峰值点到结构功能函数等于0（极限状态方程）点的距离，可用标准差的倍数表示，这个倍数就是二阶矩模式中的可靠指标。

而如果将结构功能函数随机变量线性变换为一个标准正态随机变量，则在新的概率密度曲线坐标中，可靠指标为坐标原点到极限状态面的距离。

将这一几何概念进行推广，提出了结构可靠指标的新定义，将可靠指标定义为标准正态空间内（随机变量的平均值为0，标准差为1）坐标原点到极限状态曲面的最短距离。

原点向曲线垂线的垂足为验算点。

可以很容易的证明如此定义的可靠指标，也是将非线性功能函数在其验算点处线性化后的线性函数所对应的二阶矩模式的可靠指标。

国际上常用的变换方法称为JC法，国内提出了简便实用、精度与JC法相差不多的实用分析法。

在上面的可靠度分析方法中，无论随机变量服从正态分布还是不服从正态分布，无论随机变量是相关的还是不相关的，都只使用了结构功能函数的一次项（或泰勒展开级数的线性项）和随机变量（或当量正态化随机变量）的前二阶矩，因此统称为一次二阶矩方法。

为与中心点法相区别，一般将同时求验算点的可靠度分析方法称为验算点法，有时也称为改进的一次二阶矩方法。

二次二阶矩法

如前所述，以标准正态空间内坐标原点到极限状态曲面的最短距离定义的结构可靠指标所对应的是在验算点处线性化的极限状态方程（或超切平面）的可靠指标，它没有反映极限状态曲面的凹凸性，在极限状态方程的非线性程度较高时误差较大。

Breitung在1984年给出一个考虑了极限状态曲面在验算点处主曲率的失效概率渐近计算公式，具体分析时首先根据计算可靠指标时得到的灵敏系数（或方向余弦）向量应用Gram-Schmidt标准正交化方法产生正交矩阵，然后对随机变量进行正交变换（即转轴），整个计算过程要涉及复杂的矩阵分析和行列式运算。

由于计算时考虑了结构极限状态方程的二次非线性，故称为二次二阶矩方法。

其他方法

上面介绍的可靠度分析方法无论是一次方法还是二次方法都是在标准正态空间建立的，当随机变量不服从正态分布时要按照前面的方法映射或正态化为正态随机变量。

除此之外，还有一种不需要变换而直接进行分析的方法，称为原始空间内的可靠度分析方法，同样也包括一次方法和二次方法。

可靠度理论的研究中，还提出了同时考虑其他不确定性的可靠度分析方法。

如将随机性与模糊性相结合而形成的模糊可靠度分析方法，考虑随机变量概率分布参数（如平均值标准差）统计不确定性的可靠度分析方法。

将传统的有限元方法与可靠度方法相结合而形成的随机有限元方法是分析大体积结构可靠度的有效方法等等。

一些新方法应用到机械的可靠性设计中来。

以下简要介绍几种研究的新方法。

（1）模糊可靠性优化设计。

在工程设计中,存在大量、不可避免的模糊信息,而用常规可靠性设计方法处理这类不确定因素,不仅会遇到极大的困难,有时甚至不可能,并与工程实际产生较大的矛盾。

用模糊方法处理不确定因素,设计结果与工程实际吻合,可减少获得数据的难度,故具有工程应用价值。

传统的可靠性设计理论中,认为系统总是处于能满意地完成其预定功能的完好状态和不能完成其预定功能的故障状态两者之一,只是系统处于何种状态是随机的。

但是实际工程系统中,许多失效形式如疲劳断裂、磨损、腐蚀变化等,都是由于损伤积累引起性能下降,最终导致故障的现象。

系统从完好状态到故障状态是由一系列中间状态相互联系、相互渗透、相互转化的,这种中间过渡状态既不是完全“完好”,也不是完全“故障”,而是呈现“亦此亦彼”的模糊状态。

众周所知,影响应力和强度的因素很多,有些因素可能具有随机现象,可用随机变量描述,又有些因素可能具有模糊现象,用模糊变量描述。

因此,应力和强度理论上都是随机变量和模糊变量的函数。

针对这种情况,运用模糊可靠性设计理论和最优化技术,提出了同时兼顾设计参数的随机性和设计参数的模糊性的优化设计方法。

（2）不完全概率信息的可靠性鲁棒设计。

将可靠性优化设计理论、可靠性灵敏度分析技术与鲁棒设计方法相结合，讨论了具有不完全概率信息的螺旋管簧的可靠性鲁棒设计问题，提出了可靠性鲁棒设计的计算方法。

把可靠性灵敏度溶入可靠性优化设计模型之中，将可靠性鲁棒设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题。

（3）结构可靠性稳健设计是在进行机械零部件设计时要求可靠度对设计参数的变化不敏感,进而提高零部件安全性和稳健性的一种多目标优化设计方法。

在产品设计中,正确地应用可靠性稳健设计方法,可以使产品在经受各种因素的干扰下,都能保持其可靠性的稳定。

传统的多目标优化方法是将多目标问题通过加权组合、目标规划、功效系数、乘除等方法转化为单目标优化问题来进行处理,这种方法带有先验性,而且只是对某一特定的问题有效,所以达不到令人满意的结果。

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将结构可靠性稳健优化设计转化为多目标优化问题。

运用灰色理论中的关联分析法,选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出了灰色粒子群算法求解可靠性稳健优化设计问题。

3.3发展趋势

参考美国可靠性的研究及发展动向，以及可靠性设计、管理及试验在工程项目的应用情况，当前可靠性工程发展的某些动向介绍如下。

重视用户要求，开展多学科综合设计

这是美国可靠性工程当前发展的一个显著动向。

波音、麦道、Intel等公司尽管采用的术语不同，如并行工程（CE）或综合产品研制（IPD）等先进管理方法和质量功能展开（QFD），降低易变性（VRP）等技术，但其做法基本相同，重视用户要求（包括外部用户及内部用户的要求），把这些要求转换成设计、零件、生产等要求，在设计及生产中加以控制。

为了确保新产品能够满足用户要求，在产品研制开始便组成多学科设计组（包括设计、生产、可靠性、维修性、质量和使用保障等），开展多学科综合设计。

注重工程及使用经验，重视R&M定性设计

这是美国可靠性工程发展的另一动向。

在可靠性及维修性（R&M）技术相当发达的美国工业界，波音民用飞机分公司、麦道直升机公司等仍然非常重视故障模式及影响分析（FMEA）、试验一分析一改进（TAAF）、元器件控制等定性设计及分析技术的研究及应用，注意通过工程试验和试飞等途径广泛收集各种数据，总结工程经验，发现薄弱环节，采取纠正措施等来有效提高产品的R&M。

例如，波音民用飞机分公司对各种机载设备不要求进行可靠性鉴定试验，而是通过性能试验、可靠性增长试验等来发现故障模式，采取纠正措施，提高设备的可靠性。

R&M设计实现CAD化

在美国工业公司，无论是高技术的民用机、航空电子设备还是一般的民用机械的R&M设计，都不同程度地采用了CAD技术。

爱理德西格诺航空研究图森分公司在航空电子设备的设计中，从结构设计、电路设计、应力及热分析、容差分析到可靠性预计和FMEA等全部实现了CAD化。

航空电子设备的设计人员在计算机荧光屏上进行设计和修改设计，公司内部基本实现了网络化。

波音民用飞机分公司在B-777设计中，采用了计算机辅助三维交互系统（CA-TIA），把飞机结构、系统、布线和管道敷设以及设备的数字图象组合在一起，绘制飞机安装立体图形，为维修性工程师确定部件的可达性，进行维修性设计及验证提供了一种有效的工具，并有可能逐步取代过去制造昂贵的样机作维修性演示的做法。

FMEA得到广泛应用

质量与可靠性专业网在美国工业界中，FMEA是一种应用最广的可靠性分析工具，其应用范围包括复杂的武器系统和较简单的工业用机械和电子设备。

根据各公司及其产品的情况，FMEA可由系统工程师（功能法）、设计工程师（硬件法）或由具有丰富工程经验的可靠性工程师来完成。

完成FMEA的时机很重要，据爱理德西格诺航空研究图森分公司介绍，如果FMEA未能按时完成，设计人员便会拒绝采取改进措施。

在实际应用FMEA中，对MIL-STD-1629的表格做了一些修改，将严酷度等级按用户满意程度和安全性进行排序，并增加了风险顺序数。

4结论

结构可靠度理论是用来帮助人们解决工程设计中认识已久的不确定性问题的一种决策方法，对它的研究不过几十年的历史，应用的时间更短，所以积累的经验不多。

但毫无疑问的是用科学的方法处理工程中的不确定性问题是工程结构设计的一大进步，具体这一步迈的多大，要看统计数据的多少、结构可靠度理论的成熟程度而论。

显然，目前的应用只是初步的。

工程设计是一个涉及多方面的大系统，对其中问题的认识不是一朝一夕的事，需要进行长期的研究和积累经验，包括可靠度理论的应用。

因此，工程问题的解决总是理论与工程经验的结合，掌握的知识越多，主观经验越少，结构的设计越合理，这也正是工程技术研究追求的目标。

5主要参考文献

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