[發明專利]一種基于時變失效的螺栓可靠性分析方法

在審

• 申請號: 202011569759.3
• 申請日: 2020-12-26
• 公開（公告）號: CN112613143A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 趙永勝;王麗霞;李富平;武宏超
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于時變失效的螺栓可靠性分析方法，為了實時掌握螺栓的服役情況，如何獲取其可靠度的動態軌跡變得至關重要。為了提高螺栓的安全可靠性，用時變可靠性理論來分析螺栓在服役過程中的抗力和載荷相關參量。以時變可靠性理論為基礎，研究螺栓的抗力衰減模型，最終建立了螺栓的時變可靠性數學模型。通過工程算例進行分析，表明了螺栓抗力隨時間衰減對螺栓可靠性指標和失效概率的影響。對比螺栓在不同抗力衰減系數下可靠性指標和失效概率的分析結果，可以得出可靠性指標隨著抗力衰減系數的增大而減小，失效概率隨著抗力衰減系數的增大而增大。

技術領域

本發明屬于結構可靠性分析領域，涉及一種基于時變失效的螺栓可靠性分析方法。

背景技術

螺栓緊固連接作為普遍使用的連接方式，其目的是為了獲取足夠的夾緊力，來保證連接的可靠性。螺栓是機械系統中金屬結構連接的主要構件，廣泛應用于各類機械結構中，其作用是將機械系統各部分有機地結合到一起，保證機械結構特定的工作機理，能承受住機械結構工作中的任何載荷。因此預先估計螺栓在服役過程中的可靠度，對其進行可靠度分析對機械結構及整個機械系統的安全可靠性都至關重要。

肖成勇、石博強等基于未知理論中盲數的概念和運算法則，建立了螺栓可靠性計算模型。魏從梅將機械模糊優化和可靠性設計相結合，形成機械模糊可靠性優化設計并研究了該優化設計在螺栓設計上的應用。孫劍萍、羅意平等將模糊設計與優化設計相結合，并引入熵理論，整理推導出柴油機螺栓可靠性優化設計數學模型。金譽輝、陳金梅等針對螺栓聯接的失效分析，把模糊變量變換為當量隨機變量，用一次二階矩法對螺栓聯接進行可靠性分析。鐘波采用霍普菲爾(Hopfield)神經網絡優化方法求解螺栓聯接可靠性優化問題。目前國內外對螺栓可靠性理論分析大多都對某一時間點可靠度獲取方法進行研究，很少考慮螺栓在整個服役周期內的可靠度的動態變化以及引起此變化的重要因素。實際工程中，螺栓在使用和老化階段，隨著時間的推移，螺栓自身的材料性能、所處的工作環境、所受的工作載荷以及其他不確定因素都會發生時效性改變，因此在螺栓的生命周期里，可靠性是一個隨時間變化的量。

發明內容

本文將以時變可靠性理論為基礎，考慮螺栓抗力衰減模型的時變特征，建立起螺栓的時變可靠性模型，并通過工程實例進行計算，得到螺栓可靠度指標和失效概率與螺栓抗力衰減系數之間的關系。

螺栓時變可靠性評估流程如圖1所示。總結基于時變失效的螺栓可靠性分析方法步驟如下：

(一)建立螺栓功能函數和抗力時變函數

(1)假設螺栓的功能函數為Z＝Z(X)，其中X是影響螺栓功能的隨機變量。當Z＞0表示螺栓處于可靠狀態，Z＜0表示螺栓處于失效狀態，Z＝0表示螺栓處于極限狀態。對于連接螺栓來說，其功能函數有兩個隨機變量R和S，功能函數為Z＝g(R,S)＝R-S。相應的極限狀態方程為Z＝g(R,S)＝R-S＝0。其中R為螺栓抗力，S為螺栓承受的載荷。

(2)上述計算過程不考慮螺栓抗力隨時間變化，但是在螺栓服役過程中，截面尺寸和力學性能都會隨著服役時間延長而退化。考慮退化因素后，螺栓的功能函數為Z＝g(R_t,S)＝R_t-S。相應的極限狀態方程為Z＝g(R_t,S)＝R_t-S＝0。其中，R_t為螺栓時變抗力。

(二)時變可靠性指標計算

(1)構件可靠度是構件可靠性的概率度量，可靠概率用P_r表示，失效概率用P_f表示。Z是螺栓的功能函數，設Z的概率密度函數為f_Z(x_i)，x_i(i＝1,2,···,n)為功能函數Z中的隨機變量，根據可靠概率和失效概率的意義得可靠概率為失效概率為