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     20世紀50年代，弗洛伊登撒爾（A.M.Freuenthal）首先研究了傳統(tǒng)設(shè)計法中的安全系數(shù)和結(jié)果破壞概率之間的內(nèi)在關(guān)系，建立了結(jié)構(gòu)可靠性分析的思想數(shù)學(xué)模型，并于1947年在國際上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文，奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基礎(chǔ)，也使得整個學(xué)術(shù)界和工程界開始關(guān)注和重視可靠性問題，并將概率分析和概率設(shè)計的思想引入到實際工程。 

1969年，美國的柯涅爾提出了與結(jié)構(gòu)失效概率相關(guān)的可靠指標β作為衡量結(jié)構(gòu)安全度的一種統(tǒng)一數(shù)量指標，并建立了結(jié)構(gòu)安全度的二階矩模式，形成了以二階矩法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代可靠性分析理論。 

20世紀60年代末至80年代初，美國、加拿大和前蘇聯(lián)等國制定了標準和規(guī)范，作為結(jié)構(gòu)元件概率設(shè)計的依據(jù)。1976年，結(jié)構(gòu)安全性聯(lián)合委員會（JCSS）也認可了概率設(shè)計方法，并對其推廣。這種設(shè)計方法隨著概率、統(tǒng)計數(shù)學(xué)和可靠性理論的發(fā)展逐步成熟并將取代傳統(tǒng)的安全系數(shù)法。

結(jié)構(gòu)可靠性及影響因素

結(jié)構(gòu)的可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。在實際應(yīng)用中，為了對結(jié)構(gòu)可靠性進行定量的分析，引入了結(jié)構(gòu)可靠度的概念：結(jié)構(gòu)的可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能（即結(jié)構(gòu)不被破壞）的概率。

結(jié)構(gòu)的可靠性分析是研究結(jié)構(gòu)在各種因素作用下的安全性問題，其實質(zhì)是計算結(jié)構(gòu)完成規(guī)定功能的概率大小，它包括對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的可靠性評估以及對新設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性分析。

影響結(jié)構(gòu)可靠性大小的因素主要可分為以下三個方面：

1、時間因素的影響

在結(jié)構(gòu)可靠性的定義中，強調(diào)了結(jié)構(gòu)在預(yù)定時期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，實際上，這種能力是隨著時間的變化而變化的。一般情況下，隨著使用時間的延長，這種能力也就逐漸降低。任何工程結(jié)構(gòu)都不可能一直無限期的正常使用與工作，因此，研究結(jié)構(gòu)的可靠性必須是在預(yù)定的時期內(nèi)進行的，如果脫離開具體的時間期限，談?wù)摽煽啃允菬o意義的。

2、使用條件的影響

結(jié)構(gòu)的可靠性是與預(yù)定的使用條件密切相關(guān)的。這種使用條件主要是指作用在結(jié)構(gòu)上的載荷效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)抵抗載荷的能力。一般情況下，如果載荷的類型眾多，數(shù)量較大，結(jié)構(gòu)性能變異顯著，那么結(jié)構(gòu)在預(yù)定的使用時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力就越低。由此可知，結(jié)構(gòu)在不同的使用條件下，其可靠性程度也不相同。

3、規(guī)定功能的影響

結(jié)構(gòu)可靠性定義中的規(guī)定功能是根據(jù)使用要求和生產(chǎn)水平以及技術(shù)標準（或失效標準）確定的。不同的規(guī)定功能，其結(jié)構(gòu)的可靠性也是不同的。

總得來說，結(jié)構(gòu)可靠性是結(jié)構(gòu)作用及其效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力的紐帶，是反映結(jié)構(gòu)可靠性、安全性、耐久性的一個綜合指標。進行結(jié)構(gòu)可靠性分析的目的，就是要將結(jié)構(gòu)可靠性或失效可能的大小，用概率的方法定量地表示出來，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全水平。概率統(tǒng)計認為，只要有隨機變量（不確定量）的存在，結(jié)構(gòu)就總有失效的可能性，絕對安全的結(jié)構(gòu)是沒有的。對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行可靠性分析，不僅對現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的使用情況提供必要的數(shù)據(jù)資料，而且為新結(jié)構(gòu)設(shè)計提供諸如目標可靠度的確定等參考資料。

結(jié)構(gòu)的主要失效模式

結(jié)構(gòu)失效形式可概括為“破壞”（斷裂）和“功能失效”兩個方面。由于承受不同的載荷/環(huán)境及其組合，以及不同的失效機理，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各種失效模式，通常可歸納為靜強度失效、疲勞斷裂失效、動強度失效、環(huán)境強度失效和熱強度失效幾類，詳見表1。

結(jié)構(gòu)可靠性主要參數(shù)

結(jié)構(gòu)可靠性與裝備的可用性、任務(wù)可靠性、維修性和耐久性均密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)的破壞與功能失效必然會影響裝備的可用性和任務(wù)可靠性；結(jié)構(gòu)的使用壽命更是決定裝備壽命和耐久性的基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)的修理維護(大修和現(xiàn)場維修)對裝備的維修性也起著重要的作用。但是，結(jié)構(gòu)可靠性問題有著與裝備其它分系統(tǒng)明顯不同的特點，結(jié)構(gòu)的破壞與功能失效概率、使用壽命體系以及維修方案密切相關(guān)，因此，本著體現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠性要求和工程上可以評定的原則，提出如下的結(jié)構(gòu)可靠性主要參數(shù)。

1、結(jié)構(gòu)安全可靠度

結(jié)構(gòu)安全可靠度是結(jié)構(gòu)在裝備使用期間內(nèi)不發(fā)生破壞(或失效)的概率。由于結(jié)構(gòu)不失效是保證裝備執(zhí)行任務(wù)的前提，因此，結(jié)構(gòu)安全可靠度與裝備的任務(wù)可靠度直接相關(guān)，其指標要求明顯高于裝備的任務(wù)可靠度指標。

結(jié)構(gòu)安全可靠度主要包括靜強度可靠度和使用壽命期內(nèi)的安全可靠度。靜強度是結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要保證的基本前提，靜強度可靠性指標應(yīng)明顯高于使用壽命期內(nèi)的安全可靠度，在裝備研制時要對二者指標分別提出。

使用壽命期內(nèi)的安全可靠度反映了結(jié)構(gòu)安全可靠的水平，與使用壽命密切相關(guān)。對于裂紋不可檢結(jié)構(gòu)，安全可靠度為用疲勞分析和試驗確定的安全壽命的存活率；對于進行損傷容限設(shè)計的裂紋可檢結(jié)構(gòu)，安全可靠度為耐久性/損傷容限分析與試驗所確定的修理間隔對應(yīng)的安全裂紋形成壽命的存活率和檢查周期對應(yīng)的安全裂紋擴展壽命的存活率。主要受應(yīng)力腐蝕作用的結(jié)構(gòu)，安全可靠度應(yīng)為日歷年限壽命對應(yīng)的應(yīng)力腐蝕壽命的存活率。

2、使用壽命

參考GJB451-90中關(guān)于裝備（產(chǎn)品）使用壽命的定義，結(jié)構(gòu)使用壽命的定義為“裝備結(jié)構(gòu)從制造完成到失效時的壽命單位數(shù)”，壽命單位是裝備結(jié)構(gòu)使用持續(xù)期的度量。

結(jié)構(gòu)的使用壽命通常包含用工作時間（如飛機的飛行小時數(shù)、艦船和軍用車輛的行駛里程數(shù)）表示的疲勞壽命和用使用持續(xù)時間（年限）表示的日歷壽命，儲存壽命也屬于日歷壽命的范疇。而對一次使用的裝備（如運載火箭一類裝備）結(jié)構(gòu)，原則上不存在疲勞壽命。

當采用不同的壽命準則時，疲勞壽命存在如下兩種表達形式：

1）安全壽命：是采用大分散系數(shù)所獲得的具有極低疲勞開裂概率的使用壽命，分散系數(shù)取決于疲勞可靠度(疲勞開裂概率)的要求和結(jié)構(gòu)疲勞壽命分散性。按照安全壽命準則確定的疲勞壽命可以實現(xiàn)在該壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)疲勞失效概率很低，確保結(jié)構(gòu)的使用安全。

2）經(jīng)濟壽命（耐久性服役壽命）：結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟壽命(耐久性服役壽命)是由結(jié)構(gòu)耐久性試驗和分析、評估結(jié)果所得到的壽命，即當結(jié)構(gòu)大范圍出現(xiàn)損傷，若不修理則影響裝備的使用功能和戰(zhàn)備狀態(tài)，而修理又是不經(jīng)濟的，則認為結(jié)構(gòu)達到了經(jīng)濟壽命，其特征是損傷部位的數(shù)量和修理費用迅速增加。經(jīng)濟壽命必須有規(guī)定的維修大綱(計劃)與之對應(yīng)。按照經(jīng)濟壽命準則確定疲勞壽命不僅考慮結(jié)構(gòu)的安全，同時考慮了經(jīng)濟性。

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方法

歸納起來主要有2類:

1、近似解析法，如計算單個模式失效概率的一次二階矩法，二次可靠性法以及計算多個模式失效概率的一階邊界法，二階窄邊界法等。近似法由于采用設(shè)計點處的超平面或超拋物面來代替實際的失效面，無法估計失效概率的近似程度。

2、較為精確的數(shù)值方法，包括數(shù)值積分與數(shù)值模擬法。

數(shù)值積分法是根據(jù)失效概率的定義發(fā)展起來的，如降階法。由于這一方法的復(fù)雜性，通常用來比較近似方法與數(shù)值模擬法的計算精度和效率。數(shù)值模擬法以Monte Carlo法(MCS法)為代表被廣泛采用，但該法在較小失效概率時工作量相當大，效率低，為此人們提出了許多改進的數(shù)值方法，如重要插樣法、條件期望值法等，其目的都是通過降低方差來達到提高計算效率的目的。

結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要工作內(nèi)容

結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要工作內(nèi)容如圖1所示（不同領(lǐng)域劃分可能不同，本文僅供參考）。

圖1 結(jié)構(gòu)可靠性分析的主要工作框圖

針對多個故障模式的整體結(jié)構(gòu)可靠性綜合分析計算，可采用系統(tǒng)可靠性分析方法。

有關(guān)結(jié)構(gòu)可靠性分析主要工作內(nèi)容概要說明如下：

1、結(jié)構(gòu)失效模式、影響及危害度分析

裝備其它分系統(tǒng)的可靠性分析，通常首先是建立可靠性模型，將可靠性指標分配到各組成單元，然后再對各組成單元的故障模式進行分析。而結(jié)構(gòu)與裝備其它分系統(tǒng)不同，它必須首先分析不同裝備結(jié)構(gòu)可能的失效模式，如靜強度失效、動強度失效，疲勞/斷裂失效、腐蝕(老化)失效等，不同失效模式對應(yīng)著不同的可靠性要求，包括定量要求和定性要求。針對每一種可能的失效模式，建立可靠性模型，分配可靠性指標，保證該失效模式下整體結(jié)構(gòu)體系達到對應(yīng)的可靠性要求。因此，結(jié)構(gòu)失效模式的分析必須首先進行。

對每種失效模式，還要判斷對結(jié)構(gòu)可靠性的哪個參數(shù)起作用。例如靜強度失效直接影響結(jié)構(gòu)的安全可靠度，有定量的可靠性要求；疲勞/斷裂失效直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全可靠度，也有定量的可靠性要求；動強度失效直接影響結(jié)構(gòu)的使用安全，主要通過設(shè)計中的控制與分析加以防止以保證可靠性；而腐蝕(老化)失效本身主要影響結(jié)構(gòu)的日歷壽命(使用年限)，但腐蝕(老化)與疲勞共同作用下的失效屬于疲勞/斷裂失效的范疇。對于有可靠性定量要求的失效模式必須進行可靠性指標分配和可靠性定量評估。

2、可靠性模型與可靠性分配

對于每種有可靠性定量要求的失效模式，均應(yīng)建立結(jié)構(gòu)體系的可靠性模型，并進行可靠性分配。

可靠性模型的建立應(yīng)以組成結(jié)構(gòu)體系的所有部件、構(gòu)件、零件對結(jié)構(gòu)失效作用的分析為基礎(chǔ)，必要時可以應(yīng)用故障樹分析的方法。

在建立可靠性模型的同時，應(yīng)采用危害度分析方法找出對結(jié)構(gòu)失效有重大影響的關(guān)鍵件和重要件，并按其失效危害度的大小將其分類(如A、B、C…類)。

可靠性分配是指將對結(jié)構(gòu)體系的可靠性定量要求分配到各個層次的結(jié)構(gòu)，通常要求分配到每一個構(gòu)件，特別是關(guān)鍵件和重要件。

本著工程可用的原則，在設(shè)計初期的可靠性分配可以將組成結(jié)構(gòu)體系的各個構(gòu)件保守地視為串聯(lián)系統(tǒng)，并假定每個構(gòu)件分配相同的可靠度。

3、結(jié)構(gòu)的載荷與環(huán)境分析

載荷和環(huán)境是結(jié)構(gòu)的使用條件，為對工程結(jié)構(gòu)進行可靠性分析，必須通過計算與實測，確定結(jié)構(gòu)所承受的載荷與環(huán)境，而對于承受疲勞（重復(fù)）載荷的結(jié)構(gòu)，為進行結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析，必須編制反映結(jié)構(gòu)使用中載荷—時間歷程的疲勞載荷譜。

4、結(jié)構(gòu)的靜強度可靠性分析

參照有關(guān)結(jié)構(gòu)強度規(guī)范指定的安全系數(shù)法類型與安全系數(shù)取值設(shè)計結(jié)構(gòu)。

考慮應(yīng)力、強度的變異性，評定所設(shè)計結(jié)構(gòu)的靜強度可靠度。

根據(jù)可靠性設(shè)計分配給該結(jié)構(gòu)的靜強度可靠度，判斷所設(shè)計結(jié)構(gòu)是否滿足可靠度要求以及是否過于保守。對設(shè)計安全系數(shù)的取值提出指導(dǎo)性的建議。

5、結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析

對于承受疲勞（重復(fù)）載荷的結(jié)構(gòu)，疲勞斷裂可靠性分析結(jié)果是決定結(jié)構(gòu)可靠性的主要因素。疲勞斷裂可靠性分析的目的是，保證在規(guī)定的載荷/環(huán)境譜下結(jié)構(gòu)使用壽命滿足規(guī)定的可靠性要求，或者在規(guī)定的可靠性要求下結(jié)構(gòu)使用壽命達到規(guī)定指標。

結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂可靠性分析包括疲勞可靠性分析與疲勞載荷下的斷裂可靠性分析—損傷容限分析。

6、結(jié)構(gòu)環(huán)境強度可靠性分析

結(jié)構(gòu)環(huán)境強度可靠性分析包括結(jié)構(gòu)表面涂層在環(huán)境腐蝕（老化）作用下的使用年限（日歷壽命）分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕對應(yīng)的使用年限（日歷壽命）分析以及腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析。

7、結(jié)構(gòu)動強度可靠性分析

結(jié)構(gòu)在振動﹑沖擊或時變載荷作用下的失效問題，稱為動強度問題。傳統(tǒng)的安全系數(shù)法或許用應(yīng)力法都是以確定性分析為基礎(chǔ)，顯然無法回答結(jié)構(gòu)的設(shè)計是趨于保守還是有破壞的危險。設(shè)計時有必要考慮載荷及材料性能等參數(shù)的分散性，借助概率分析方法進行合理而有效的結(jié)構(gòu)動強度可靠性分析評估。目前的結(jié)構(gòu)強度可靠性分析計算一般采用數(shù)值解法來進行，工程中最常用的是隨機有限元法stochastic finite element method 或者簡稱為SFEM。

8、結(jié)構(gòu)的熱強度可靠性分析

    在熱環(huán)境下設(shè)計分析結(jié)構(gòu)可靠性，方法參考上述相關(guān)內(nèi)容。