[发明专利]一种基于时变失效的螺栓可靠性分析方法

说明书

本发明公开了一种基于时变失效的螺栓可靠性分析方法，为了实时掌握螺栓的服役情况，如何获取其可靠度的动态轨迹变得至关重要。为了提高螺栓的安全可靠性，用时变可靠性理论来分析螺栓在服役过程中的抗力和载荷相关参量。以时变可靠性理论为基础，研究螺栓的抗力衰减模型，最终建立了螺栓的时变可靠性数学模型。通过工程算例进行分析，表明了螺栓抗力随时间衰减对螺栓可靠性指标和失效概率的影响。对比螺栓在不同抗力衰减系数下可靠性指标和失效概率的分析结果，可以得出可靠性指标随着抗力衰减系数的增大而减小，失效概率随着抗力衰减系数的增大而增大。

技术领域

本发明属于结构可靠性分析领域，涉及一种基于时变失效的螺栓可靠性分析方法。

背景技术

螺栓紧固连接作为普遍使用的连接方式，其目的是为了获取足够的夹紧力，来保证连接的可靠性。螺栓是机械系统中金属结构连接的主要构件，广泛应用于各类机械结构中，其作用是将机械系统各部分有机地结合到一起，保证机械结构特定的工作机理，能承受住机械结构工作中的任何载荷。因此预先估计螺栓在服役过程中的可靠度，对其进行可靠度分析对机械结构及整个机械系统的安全可靠性都至关重要。

肖成勇、石博强等基于未知理论中盲数的概念和运算法则，建立了螺栓可靠性计算模型。魏从梅将机械模糊优化和可靠性设计相结合，形成机械模糊可靠性优化设计并研究了该优化设计在螺栓设计上的应用。孙剑萍、罗意平等将模糊设计与优化设计相结合，并引入熵理论，整理推导出柴油机螺栓可靠性优化设计数学模型。金誉辉、陈金梅等针对螺栓联接的失效分析，把模糊变量变换为当量随机变量，用一次二阶矩法对螺栓联接进行可靠性分析。钟波采用霍普菲尔(Hopfield)神经网络优化方法求解螺栓联接可靠性优化问题。目前国内外对螺栓可靠性理论分析大多都对某一时间点可靠度获取方法进行研究，很少考虑螺栓在整个服役周期内的可靠度的动态变化以及引起此变化的重要因素。实际工程中，螺栓在使用和老化阶段，随着时间的推移，螺栓自身的材料性能、所处的工作环境、所受的工作载荷以及其他不确定因素都会发生时效性改变，因此在螺栓的生命周期里，可靠性是一个随时间变化的量。

发明内容

本文将以时变可靠性理论为基础，考虑螺栓抗力衰减模型的时变特征，建立起螺栓的时变可靠性模型，并通过工程实例进行计算，得到螺栓可靠度指标和失效概率与螺栓抗力衰减系数之间的关系。

螺栓时变可靠性评估流程如图1所示。总结基于时变失效的螺栓可靠性分析方法步骤如下：

(一)建立螺栓功能函数和抗力时变函数

(1)假设螺栓的功能函数为Z＝Z(X)，其中X是影响螺栓功能的随机变量。当Z＞0表示螺栓处于可靠状态，Z＜0表示螺栓处于失效状态，Z＝0表示螺栓处于极限状态。对于连接螺栓来说，其功能函数有两个随机变量R和S，功能函数为Z＝g(R,S)＝R-S。相应的极限状态方程为Z＝g(R,S)＝R-S＝0。其中R为螺栓抗力，S为螺栓承受的载荷。

(2)上述计算过程不考虑螺栓抗力随时间变化，但是在螺栓服役过程中，截面尺寸和力学性能都会随着服役时间延长而退化。考虑退化因素后，螺栓的功能函数为Z＝g(R_t,S)＝R_t-S。相应的极限状态方程为Z＝g(R_t,S)＝R_t-S＝0。其中，R_t为螺栓时变抗力。

(二)时变可靠性指标计算

(1)构件可靠度是构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是螺栓的功能函数，设Z的概率密度函数为f_Z(x_i)，x_i(i＝1,2,···,n)为功能函数Z中的随机变量，根据可靠概率和失效概率的意义得可靠概率为失效概率为