可靠性工程与风险评估基本概念.ppt

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1、可靠性工程与风险评估基本概念 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第4章 可靠性设计 第1节 设计参数的确定 第2节 结构的可靠性分析 第3节 可靠度与安全系数 第4节 贝叶斯方法在可靠性设计中的应用 第5节 可靠度的分配第5章 可靠性试验与预测 第1节 寿命试验和加速试验 第2节 序贯寿命试验 第3节 统计试验法 第4节 故障树分析 2*第6章 概率断裂力学在压力容器缺陷安全评定中的应用 第1节 概述 第2节 压力容器缺陷评定中主要参数的统计特性 第3

2、节 压力容器缺陷概率安全评定 第4节 模糊概率断裂简介 第5节 随机有限元法在断裂力学中的应用 第7章 模糊集理论及其在可靠性工程中的运用 第1节 基本概念 第2节 模糊集合及其运算 第3节 模糊关系与模糊矩阵 第4节 隶属函数的确定 第5节 模糊语言变量 第6节 模糊综合评价方法3第8章 风险工程学简介 第1节 当代化工装置技术管理的两大课题 第2节 风险分析的国内外发展状况 第3节 基于风险的检验与传统检验方法 第4节 基于风险检验的技术路线 第5节 风险辨识 第6节 风险分析与风险评价 第7节 风险控制、风险管理与装置长周期运行 第8节 国内引进软件介绍4参考书1、KC卡帕著，工程设计中

3、的可靠性。2、凌树森，可靠性理论及其在机械工程中的应用。3、徐维新，可靠性工程4、胡师金、刘贵生，机械可靠性设计5、BS迪隆，人的可靠性6、刘惟信，机械可靠性设计7、陈健元，机械可靠性设计8、周则恭，概率断裂力学在压力容器中的应用9、戴树和、王明娥，可靠性工程及其在化工设备中的应用10、戴树和、王明娥，Reliabilityanalysisinengineeringapplications11、戴树和，工程风险分析技术，20075 第1章 绪 论第1节 概 述 可靠性工程学的研究工作最近在国内外都发展很快。从电子工业、军事工业、宇航、直至机电产品等各个行业和部门，几乎毫无例外地都对这一门工程学

4、给重视，并进行了大量的研究工作。一、可靠性的重要性 可靠性是产品质量的时间性特征。产品是泛指，它包括零部件、设备、装置、系统等。也就是说对于合格产品，要求它不仅在使用初期符合质量指标，而且必须在规定的使用时间和条件下，保持质量指标的数值而使产品不失效，这就是可靠性问题。6 因此，可靠性也是产品的一个重要的质量指标。而且也只有将可靠性指标和其它的质量指标一起，才能对产品的质量作出全面的评价。所以：1）产品的可靠性指标是与时间有关的一个量；2）可靠性指标是与失效模式、失效定义有关的一个综合指标。7 产品的可靠性可分为两个主要类别，即设计可靠性和使用可靠性。设计可靠性包括：可靠性分析、设计评审、权衡

5、研究、可靠性试验分析等。使用可靠性包括：失效分析、现场工作记录、维修活动等。8 产品的可靠性水平是一个国家技术队伍的素质、管理以及工业基础水平的重要标志。特别是军用产品，可靠性水平是最重要的质量指标，是战斗力的重要因素，可以这么说，可靠性是企业的命脉。企业的兴旺，决定于产品的竞争力，企业丧失竞争力就难以生存。而决定产品竞争力的重要因素是产品的可靠性。n 例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参予制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。象这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨大损失。所以可靠性问题特别突出，

6、不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。9可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：n 1.高科技的需要n 2.经济效益的需要n 3.政治声誉的需要n 总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需要出发，还是从国防、科研的需要出发，研究可靠性问题是具有深远的现实意义。10n 现代科技迅速发展导致各个领域里的各种设备和产品不断朝着高性能、高可靠性方向发展，各种先进的设备和产品广泛应用于工农业、交通运输、科研、文教卫生等各个行业，设备的可靠性直接关系到人民群众的生活和国民经济建设，所以，深入研究产品可靠性的意义是非常重大的。11n产品或设备的故障都会影响生产和造成巨大经济损失。特别是大型流程企业，

7、有时因一台关键设备的故障导致工厂停产，其损失都是每天几十万元甚至几百万元。因此，从经济效益的来看，研究可靠性是很有意义的。n 研究与提高产品的可靠性是要付出一定代价的。从生产角度看，要增加产品的研制和生产的成本。但是，从使用角度看，由于产品可靠性提高了，就大大减少了使用费和维修费，同时还减少了产品寿命周期的成本。所以，从总体上看，研究可靠性是有经济效益的。12n从政治方面考虑，无论哪个国家，产品的先进性和可靠性对提高这个国家的国际地位、国际声誉及促进国际贸易发展都起很大的作用。13 Reliabilityisessentiallytheproblemofaproductfrom“pregnan

8、cytobirthtodeath”.Itinvolvessuchareasasmaterialselection,engineeringdesign,processtechnology,industrialproduction,testingandqualitycontrol,productshipment,storage,operatorskill,andmaintenanceandrepairtechnique.Noonetakesascepticalattitudeabouttheimportanceofreliability.Reliability,asatheoryassociate

9、dwithreliabilitymathematics,failurephysis,probabilisticfracturemechanics,etc,hasdevelopedcontinuouslyinrecentyears,andhasattractedworldwideattention.14 二、历史发展 可靠性问题之所以受到重视，是因为系统、装置(机器及设备)或零部件所承担的工作要求越来越就结构也更为复杂化。因此，彼此相关的任意一部分失效而导致整个系统发生故障的机会有所增加，而整个系统的失效或故障将使生产受到威胁、经济受到损失，甚至人的安全遭到危害。除此以外，由于新技术的采用、新材

10、料的应用，没有研究的领域和亟待开发的问题还很广阔，所有这些都是不可靠不安全的因素。加之，由于装置的高性能、高操作运行条件，存在着控制与管理引起失误的可能性，所有这些问题的解决，绝不是一般手段可以应付得了的。综合性的工程技术可靠性工程学正是针对这个范畴问题而发展起来的。15三、可靠性工程的研究对象 可靠性工程学的研究对象，可以是零部件，也可以是由许多零部件装配成的装置，或由一些装置组成的系统。它们在使用期间，寿命都是有限的。在使用中会断磨损、腐蚀、疲劳或老化，以致发生故障。l 可靠性工程涉及面积广，需要从科研、设计、试验、制造、运输、贮存、直到使用和维护等方面，进行研究和实施的工作。16四、可靠

11、性工程的研究内容 系统、装置或零部件发生效障有两种情形：一种是发生故障后就报废，不能继续使用；另一种是发生故障后可以修理，继续使用。为了制造尽可能少发生故障的产品所采用的一切方法，和在运行中为避免发生故障所采取的一切措施，都是可靠性工程学的研究内容。亦即在系统、装置或零部件的研究、设计、制造、安装、使用和维修等各个环节，都有造成故障的可能，也有发现故障的原因和给予改善的可能。所有这些环节都需要应用可靠性工程学的技术。171、可靠性基本理论可靠性数学与故障物理学；集合论与逻辑代数；概率论与数理统计；图论与随机过程；系统工程与人素工程学；环境工程学与环境应力分析；试验及分析基础理论。7、原件可靠性

12、制定原件可靠性；元件失效分析与可靠性评价；元器件及原材料的合理选择；元器件的老化筛选；元器件现场使用情况调查和反馈。2、可靠性设计贮备设计和裕度设计；降额设计和构件概率设计；热设计、抗机械力设计；防潮、腐蚀、盐雾、尘设计；电磁兼容设计和抗辐射设计；电磁兼容设计和抗辐射设计；维修性设计和使用性设计；质量、体积、重量和经济指标综合设计。8、系统可靠性可靠性预计与分配；失效模式效应与危害度分析；事件树分析法(ETA)；故障树分析法(FTA)；可靠性综合评估。3、可试靠验性环境试验；寿命试验；筛选试验。9、可教靠育性举办各种可靠性学习班与讲座；内外培训和内外考察；专业技术会议；出版可靠性刊物、可靠性教

13、材。4、制造质量控制手段和方法10可靠性管理建立可靠性管理机构和研究机构；制定可靠性管理纲要；制定产品可靠性管理规范；建立质量反馈制度；开展产品可靠性评审。5、使靠用性的保可证使用和维护规程制定；操作和维修人员培训；安全性设计；人-机匹配设计和环境设计。6、可靠性.信息现场数据收集、分析、整理和反馈；试验数据处理和反馈；元器件失效率汇集和交换；各种可靠性信息搜集和交流；用户调查和反馈。11、可靠性标准基础标准；试验方法标准；认证标准；管理标准；设计标准；产品标准可靠性工程的基本内容可靠性工程的基本内容18五、压力容器可靠性工程的研究内容1）系统和装置可靠度或失效概率的确定；2）材料性能、制造、

14、检验等对装置可靠性的质量保证；3）无损检测、包括常规检验和特殊方法的检验以及数据统计处理；4)有损检验、材料和零部件的疲劳、断裂、腐蚀、蠕变等行为的研究，以及全尺寸构件试验、破坏及损失研究；5)可靠性加速试验；6)紧急状态风险分析；7)装置的可靠性设计；8)可靠性预测和寿命估算等；19五、压力容器可靠性工程的研究内容9)此外，从全世界范围而言，近年来新建工厂日趋减少，许多已达到设计年限的装置仍继续运行，担负着高负荷的生产任务。为了保证安全生产，以正确诊断各类工厂装置工况，采用完善对策、预知安全性，评估可靠性和预测寿命等为主要内容的延寿分析，作为可靠性工程的一个分支，近年来得到很大的发展。20第

15、二节 基本概念 在可靠性工程学中，可靠性代表系统、装置或零部件在规定时间内远行稳定的程度。如欲定量量度，常用可靠度、不可靠度、失效率、平均失效间隔、失效前平均工作时间、维修度和有效度等来表示。1.可靠度，用R(t)表示。它的含义是：系统、装置或零部件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。其值在01之间。一般表示为时间t的函数。（GB3187中有定义）2.不可靠度或累积失效概率，简称失效概率，用F(t)表示，有时也 用示。它的含义是：系统、装置或零部件在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率。其值在01之间显然有：(1-1)21 根据可靠度或不可靠度的定义，概率、功能、时间和

16、规定的条件是四个颇为重要的因素。在决定系统、装置或零部件的可靠度或不可靠度上，它们每一个都起着重要作用，一般地说，假设某一试验，如果事先不能准确地预言它的结果，而且在相同的条件下可以重复进行，这个试验就称为随机试验。随机试验的每一个可能结果称为随机事件。倘若n次试验中，产生某种结果(譬如：称为事件A)有m次，则称mn为事件A出现的频率。经验证明，当试验次数n很大时，随机事件的频率是稳定的，这个稳定值叫做事件且出现的概率，记为P(A)。所以，概率定义为一个特定形式事件出现的可能性。有下列关系：22随机事件A必然发生随机事件A不可能发生(1-2)(1-3)例题 40MnVB调质钢试件拉伸强度限试验

17、的结果示如表11。将强度限()划分为若干间隔后出现的次数和频率列于表12。图11是表12中的频率与强度限间隔值做出的图形，这个图叫做直方图。它表示40MnvB调质钢试件强度限出现的概率密度图线，或概率分布团。当试验次数足够多、对应的强度限间隔取得足够密时，可以得到图中的连续曲线，从而拟合出概率密度函数的数学表达式。不同的随机变量有着不问的概率密度函数表达式。23表11 40MnVB调质钢试件拉伸强度试验数据24表12 按强限间隔的出现次数和频率25图11 概率密度分布图26 至于累积概率分布因数，同概率密度函数相似，也是描述随机变量概率分布的一个函数。它们之间有着一定的关系。设t为随机变量，为

18、概率密度函数，则累积概率分布函数 的计算公式为图12中所表示的累积概率分布函数，可以写成：（1-4）（1-5）其中 是 以左概率密度函数曲线下包罗的面积。如果t代表时间的度量单位，代表失效概率密度函数，则 即为累积失效概率或不可靠度，。27假如 存在一阶导数，则由式14可以得到：而参见图12。（1-6）且有是t的增函数；是t的连续函数28累积概率分布函数29概率密度函数30n 若受试验的样品数是N0个，到t时刻未失效的有N s(t)个；失效的有N f(t)个。则没有失效的概率估计值，即可靠度的估计值为 31 3.失效率或故障率，用 表示。它的含义是：在寿命期的度量单位内，系统、装置或零部件失效

19、的概率，或者，系统、装置、零部件在（0，t)时段内没有发生 失效的前提下，在 时段内发生失效的条件概率。根据条件概率的定义，假设事件A表示在 时段内没有发生失效；事件B表示在 时段内发生失效，则事件A发生时，事件B发生的概率为：（1-7）故得或者（1-8）32(4)(4)平均寿命平均寿命n平均寿命是指产品从投入运行到发生故障的平均工作时间。对于不维修产品又称失效前平均时间MTTF(Mean time to failure)，根据数学期望的定义，可得 33n将(1-6)式微分，可得 代入MTTF定义得 n当(t)=常数时，R(t)=e-t，所以 34n对于可维修产品而言，平均寿命指的是产品两次相

20、邻故障间的平均工作时间，称为平均故障间隔时间MTBF(Mean time between failure)，和MTTF有同样的数学表达式：当(t)=常数时，35可靠性指标(5)有效度有效度n 对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性，衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t)表示。36n 维修度M(t)产品在规定条件下进行修理时，在规定时间内完成修复的概率。n 在维修性工程中，还有维修密度函数m(t)、维修率(t)，其相互关系有：37n 平均修复时间(MTTRMean time to Repair)应理解为产品修复时间的数学期望。有：n当(t)=常数时，38n

21、 对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A(t)，它表示产品在规定条件下保持规定功能的能力。(7-18)39nMTBF反映了可靠性的含义。nMTTR反映维修活动的一种能力。两者结合固有有效度A(t)当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时间序列上出现平均等待时间(MWTMean Wait time)。如果从实际出发，使用有效度A0应表示为：40可靠性指标(6)重要度重要度n 若干个部件组成的系统中，每个部件并非等同重要，在可靠性分析中，一般将各部件在系统中所起的重要程度进行定量描述，用wj表示。n显然，0wj1。这个重要度是从系统的结构来看部件的重要程度，因此它是结构重要

22、度。41可靠性指标(7)复杂度复杂度n 复杂度ci可以简单地用分系统的基本构件数来表示，即：n其中：ni第i个分系统的构件数；n N系统的构件总数；n n分系统数。42n8 失效类型n在可靠性研究中，将失效分为三种类型：n早期失效期n偶然失效期n耗损失效期4344t4%2%5%7%14%68%45n早期失效基本上反映了系统、装置或零部件的制造质量和对工艺的控制程度。它主要由于焊接或密封不良、零部件装配不当或其它在制造、安装、检验等过程中人为的失误而引起的。n对于化工用压力容器来说，早期失效往往在质量检查，容器的水压试验或气密性试验，以及工艺试车或试运行过程中出现。46n 系统、装置或零部件排除了早期失效的各种故障后，投入正常运行，失效率达到最低水平。正常情况下，失效率几乎为一常量。n这就是图13中的偶然失效期，也称为有效工作期。它通常用指数分布形式来描述。n不同类型的装置有着不同的偶然失效期。它是系统、装置或零部件可靠性预测和评价的最重要时期。47n 当使用寿命超过一定限度后，装置的失效率逐渐增高，或者虽然没有明显的失效，但通过检查或监测，发现异常现象，这就是寿命的第三寿命期、即耗损寿命期。n装置的可靠性降低主要由于腐蚀、过载、磨损、疲劳等所引起。装置应当修理或更换。48小结49