焊接结构可靠性课件.ppt
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- 焊接 结构 可靠性 课件
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1、第第8章章焊接结构可靠性分析 化学工业出版社 Chemical Industry Press知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容可靠性分析可靠性分析了解可靠性分析中的不确定了解可靠性分析中的不确定性和工程风险的概念,掌握可性和工程风险的概念,掌握可靠性的定义及表达方式,熟悉靠性的定义及表达方式,熟悉可靠性、安全性和完整性的相可靠性、安全性和完整性的相互互关系关系不确定性:随机性、模糊性和知不确定性:随机性、模糊性和知识不完善性;工程风险性;可靠性、识不完善性;工程风险性;可靠性、可靠度、安全性、完整性;合于使可靠度、安全性、完整性;合于使用用原则原则构件焊接性构件焊接性熟悉焊接结构
2、的构件焊接性熟悉焊接结构的构件焊接性及其影响因素,全面了解焊接及其影响因素,全面了解焊接过程过程“热热-力力-组织组织”之间的相互之间的相互关关联性联性材料的焊接适应性、设计的焊接材料的焊接适应性、设计的焊接可靠性、制造的焊接可行性;影响可靠性、制造的焊接可行性;影响焊接接头强度的因素,影响焊接变焊接接头强度的因素,影响焊接变形和应力的因素;热形和应力的因素;热-力力-组织组织交互交互作用作用焊接结构焊接结构完整性评定完整性评定了解完整性管理的概念,熟了解完整性管理的概念,熟悉完整性评定原理和程序,熟悉完整性评定原理和程序,熟知常用评定知常用评定方法方法结构完整性管理、特点和任务;结构完整性管
3、理、特点和任务;完整性的评定原理和程序;完整性的评定原理和程序;CEGB-R/H/R6、SINTAP、BS7910、API579、GB19624焊接焊接结构失效结构失效分析方法分析方法了解焊接结构断裂类型,熟了解焊接结构断裂类型,熟悉焊接结构断裂的影响因素,悉焊接结构断裂的影响因素,熟悉焊接结构失效分析思路、熟悉焊接结构失效分析思路、步骤、内容和步骤、内容和原因原因失效分析失效分析思路、步骤、内容、原思路、步骤、内容、原因;失效类型、断口分析和失效因;失效类型、断口分析和失效源源2/128 化学工业出版社 Chemical Industry Press3/128对于焊接结构而言,由于焊接过程的
4、热对于焊接结构而言,由于焊接过程的热-组组织织-性能的交叉复杂性和众多非线性影响因素,性能的交叉复杂性和众多非线性影响因素,要正确描述焊接接头的性能不均匀性、焊接变要正确描述焊接接头的性能不均匀性、焊接变形与应力、应力集中以及焊接缺陷等影响因素,形与应力、应力集中以及焊接缺陷等影响因素,准确把握焊接接头强度、结构稳定、抗断裂和准确把握焊接接头强度、结构稳定、抗断裂和耐持久性等质量问题变得非常困难。耐持久性等质量问题变得非常困难。可靠性分析方法成为现代焊接结构设计、可靠性分析方法成为现代焊接结构设计、制造、安装和使用过程中保证结构安全性的重制造、安装和使用过程中保证结构安全性的重要手段。要手段。
5、化学工业出版社 Chemical Industry Press4/1288.1 结构可靠性分析概念结构可靠性分析概念8.2 焊接结构的焊接性分析焊接结构的焊接性分析8.3 焊接结构的完整性评定焊接结构的完整性评定8.4 焊接结构失效分析焊接结构失效分析 化学工业出版社 Chemical Industry Press5/1288.1.1结构设计中的不确定性结构设计中的不确定性 在工程结构制造和使用过程中,结构可在工程结构制造和使用过程中,结构可靠与不可靠是不可预知的,这是因为存在有靠与不可靠是不可预知的,这是因为存在有诸多不确定性的因素。诸多不确定性的因素。不确定性不确定性是指事件出是指事件出现
6、或发生的结果是不能准确确定的,事先不现或发生的结果是不能准确确定的,事先不能给出一个明确的结论,事件的不确定性需能给出一个明确的结论,事件的不确定性需要采用不确定性理论描述,有时还需通过经要采用不确定性理论描述,有时还需通过经验进行分析和判断。按验进行分析和判断。按产生的原因和条件产生的原因和条件,不确定性可分为不确定性可分为、和和。化学工业出版社 Chemical Industry Press6/128随机性是指由于事件发生条件的不充分性随机性是指由于事件发生条件的不充分性导致最后出现结果的不确定性。但这并不意味导致最后出现结果的不确定性。但这并不意味着事件发生的结果是不可控制的,而是将其控
7、着事件发生的结果是不可控制的,而是将其控制在一定范围内,在概率意义上是可以控制的。制在一定范围内,在概率意义上是可以控制的。在结构可靠性理论中,随机性可分为在结构可靠性理论中,随机性可分为:物理不确定性物理不确定性 如材料强度的变化、焊如材料强度的变化、焊接接头的不均匀以及外加载荷的随机性等,在接接头的不均匀以及外加载荷的随机性等,在一定的环境和条件下,这些变量的不确定性是一定的环境和条件下,这些变量的不确定性是由其内在因素和外在条件共同决定的,由其内在因素和外在条件共同决定的,称为物称为物 化学工业出版社 Chemical Industry Press7/128不确定性,属于事物本质上的不确
8、定性。不确定性,属于事物本质上的不确定性。当与制造过程有关时,可通过提高技术水平当与制造过程有关时,可通过提高技术水平或控制质量水平来降低物理不确定性,但过或控制质量水平来降低物理不确定性,但过分严格控制会提高构件制造的成本,降低生分严格控制会提高构件制造的成本,降低生产效率。产效率。统计不确定性统计不确定性 在实际设计、制造与在实际设计、制造与使用过程中,许多性能参数都是随机变量。使用过程中,许多性能参数都是随机变量。这些随机变量的统计参数与样本的容量有关,这些随机变量的统计参数与样本的容量有关,理论上只有当样本的容量为无穷时,估计的理论上只有当样本的容量为无穷时,估计的参数才是准确和确定的
9、。参数才是准确和确定的。化学工业出版社 Chemical Industry Press8/128这种由于随机变量样本量的不足而导致这种由于随机变量样本量的不足而导致统计参数估计值的不确定性称为统计不确定性。统计参数估计值的不确定性称为统计不确定性。降低统计不确定性的手段是增大样本容量,但降低统计不确定性的手段是增大样本容量,但由于客观条件的限制,很多情况下并不能得到由于客观条件的限制,很多情况下并不能得到足够多的数据。足够多的数据。模型不确定性模型不确定性 在工程结构设计和分析在工程结构设计和分析中,常需要根据一些已知变量通过公式或模型中,常需要根据一些已知变量通过公式或模型计算另一变量,由计
10、算公式不准确或模型简化计算另一变量,由计算公式不准确或模型简化而产生的不确定性称为模型不确定性。降低模而产生的不确定性称为模型不确定性。降低模型不确定性的途径是使计算假定尽量型不确定性的途径是使计算假定尽量与实际情与实际情 化学工业出版社 Chemical Industry Press况相符况相符,并采用先进的计算手段。但这些都要并采用先进的计算手段。但这些都要受到科学技术发展水平和经济条件的限制,如受到科学技术发展水平和经济条件的限制,如许多问题目前还不能建立准确的模型,精确的许多问题目前还不能建立准确的模型,精确的分析则可能需要更多的费用。分析则可能需要更多的费用。9/128模糊性是指事物
11、属性的不分明或中间过模糊性是指事物属性的不分明或中间过渡性所产生的不确定性,即一个事物是否属于渡性所产生的不确定性,即一个事物是否属于一个集合是不明确的。图一个集合是不明确的。图8-18-1为国际标准为国际标准ISO2394-1998ISO2394-1998结构可靠性总原则给出的结构可靠性总原则给出的关关 化学工业出版社 Chemical Industry Press10/128于结构使用性能存在中间过渡特性的图示,当于结构使用性能存在中间过渡特性的图示,当指标指标 1 2 时,结构是处于可使用和完全不时,结构是处于可使用和完全不可使用的中间状态,可使用的程度与可使用的中间状态,可使用的程度与
12、 的值有的值有关。关。图图8-1 结构使用性能存在的中间过渡特性结构使用性能存在的中间过渡特性 化学工业出版社 Chemical Industry Press11/128知识的不完善性是由于客观信息的不完备知识的不完善性是由于客观信息的不完备和主观认识的局限性而产生的不确定性。和主观认识的局限性而产生的不确定性。知识知识的不完善性可分为的不完善性可分为:一种是:一种是知道事物变化知道事物变化的趋势,但没有数据预测事物未来变化的程度的趋势,但没有数据预测事物未来变化的程度,如我国铁路列车速度不断提高,不同车速对铁如我国铁路列车速度不断提高,不同车速对铁路桥梁的要求是不同的,设计桥梁时,需要考路桥
13、梁的要求是不同的,设计桥梁时,需要考虑未来高速列车速度变化,但未来车速会是多虑未来高速列车速度变化,但未来车速会是多少难以确定,需要根据经验和判断给出一个提少难以确定,需要根据经验和判断给出一个提高系数;另一种是高系数;另一种是主观认识的局限性主观认识的局限性,即由于,即由于人对自然规律认识的不足而产生的不确定性。人对自然规律认识的不足而产生的不确定性。化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press14/1288.1.2 结构使用中的风险性结构使用中的
14、风险性工程结构在制造和使用过程中都带有一工程结构在制造和使用过程中都带有一定的风险,风险由定的风险,风险由组成:一是危险事组成:一是危险事件出现的概率;二是一旦危险出现,其后果件出现的概率;二是一旦危险出现,其后果严重程度和损失的大小。危险是可能产生潜严重程度和损失的大小。危险是可能产生潜在损失的征兆,是风险的前提,没有危险也在损失的征兆,是风险的前提,没有危险也就无所谓风险。就无所谓风险。危险危险是是客观存在客观存在,是,是无法改无法改变变的,而的,而风险风险却在却在很大程度很大程度上上随随着人们的着人们的意意志而改变志而改变,亦即按照人们的意志可以改变危,亦即按照人们的意志可以改变危险出现
15、或事故发生的概率。在结构制造和使险出现或事故发生的概率。在结构制造和使 化学工业出版社 Chemical Industry Press15/128用过程中,应对风险有足够的认识,要正确识别用过程中,应对风险有足够的认识,要正确识别高风险的区域,确定可能导致结构破坏的主控因高风险的区域,确定可能导致结构破坏的主控因素,为可靠性分析和工程结构风险管理提供依据。素,为可靠性分析和工程结构风险管理提供依据。工程结构系统的风险性与结构的完整性密切相关,工程结构系统的风险性与结构的完整性密切相关,保证结构的完整性是降低技术风险的保证结构的完整性是降低技术风险的。人们。人们往往认为风险越小越好,实际上这是不
16、现实的,往往认为风险越小越好,实际上这是不现实的,合理的做法是将风险限定在一个可接受的水平上,合理的做法是将风险限定在一个可接受的水平上,要接受合理的风险,不要接受不必要的风险,力要接受合理的风险,不要接受不必要的风险,力求在风险与利益间取得平衡。求在风险与利益间取得平衡。化学工业出版社 Chemical Industry Press16/128近年来出现的近年来出现的ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原则就是尽原则就是尽可能降低风险而又能实可能降低风险而又能实现风险可接受的准则之现风险可接受的准则之一,可以认为是风险评一,可以认为是风险评估中的估中
17、的“合于使用合于使用”原则。原则。ALARP原则要求在介于可接受风险和不原则要求在介于可接受风险和不可接受风险之间的风险范围内应尽可能降低风可接受风险之间的风险范围内应尽可能降低风险,能够尽量降低风险的范围称为险,能够尽量降低风险的范围称为ALARPALARP区域区域(图图8-2)。图图8-2 ALARP 原则原则 化学工业出版社 Chemical Industry Press17/1288.1.3 工程结构的可靠性工程结构的可靠性为保证不同设计状况下、不同极限状态时,为保证不同设计状况下、不同极限状态时,结构满足安全、适用、耐久和整体稳定性的要结构满足安全、适用、耐久和整体稳定性的要求,需要
18、保证结构具有一定的可靠性。求,需要保证结构具有一定的可靠性。可定义为可定义为结构在结构在内,在内,在下,完成下,完成的能力的能力。化学工业出版社 Chemical Industry Press18/128所谓所谓规定的时间为结构设计使用年限。规定的时间为结构设计使用年限。在在不同的使用年限内,结构材料性能的变化、可不同的使用年限内,结构材料性能的变化、可能出现的最大荷载是不同的,所以结构可靠度能出现的最大荷载是不同的,所以结构可靠度要规定设计考虑的时间段。要规定设计考虑的时间段。设计使用年限为结构或结构构件不需进行设计使用年限为结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时段,大修即可按其
19、预定目的使用的时段,规定结构规定结构设计使用年限设计使用年限需考虑需考虑结构的形式结构的形式、使用目的使用目的、使用环境及维修的难易程度使用环境及维修的难易程度、费用和重要性费用和重要性等。等。化学工业出版社 Chemical Industry Press19/128所谓所谓规定的条件是指对结构设计、施工和使用规定的条件是指对结构设计、施工和使用方面的规定方面的规定。具体来讲,结构应由具有具体来讲,结构应由具有设计资质的单位及其设计资质的单位及其具有设计资格的人员具有设计资格的人员按照设计规范进行设计;由具按照设计规范进行设计;由具有有施工资质的单位及其具备相关知识相关技能的技施工资质的单位及
20、其具备相关知识相关技能的技术人员术人员按设计图样和国家施工规范进行施工;按设计图样和国家施工规范进行施工;对于对于用户用户来说,应按设计规定的用途使用,并来说,应按设计规定的用途使用,并进行日常维护。如果不符合上述条件,都不能保证进行日常维护。如果不符合上述条件,都不能保证结构具有可靠性。结构具有可靠性。化学工业出版社 Chemical Industry Press20/128所谓所谓预定的功能预定的功能指结构的指结构的安全性安全性、适用性适用性、耐久性耐久性和和抗连续倒塌能力抗连续倒塌能力,一般是以结构是否,一般是以结构是否达到达到“极限状态极限状态”为标志的。为标志的。由此可以看出,保证结
21、构具有设计的可靠由此可以看出,保证结构具有设计的可靠性,不仅是一个技术问题,而且是一个管理问性,不仅是一个技术问题,而且是一个管理问题,题,可靠性管理是保障结构具有设计可靠度的可靠性管理是保障结构具有设计可靠度的重要手段重要手段。化学工业出版社 Chemical Industry Press21/128结构在结构在内和内和下,完下,完成预定功能的成预定功能的概率概率称为称为结构可靠度结构可靠度。结构。结构是结构是结构的的概率度量概率度量,工程中一般多用,工程中一般多用结构失效概率描述结构的可靠度。结构失效概率描述结构的可靠度。由于使用中工作载荷的变化和结构设计中由于使用中工作载荷的变化和结构设
22、计中的不确定性,载荷效应的不确定性,载荷效应S(也即工作应力)和(也即工作应力)和抗力抗力R(也即许用应力)都是(也即许用应力)都是。化学工业出版社 Chemical Industry Press22/128设设S和和R为服从正态分布的随机变量且二者为服从正态分布的随机变量且二者为线性关系,其概率密度曲线如图为线性关系,其概率密度曲线如图8-3所示,所示,S和和R的平均值分别为的平均值分别为S、R,标准差分别为,标准差分别为S、R(注:不是应力的概念注:不是应力的概念)。)。图图8-3 R和和S的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线 化学工业出版社 Chemical Industry Press
23、23/128按照结构设计的要求,显然按照结构设计的要求,显然R必须大于必须大于S,但由于两者分布的原因,但由于两者分布的原因,R曲线和曲线和S曲线产生曲线产生了重叠,了重叠,是是 RS 的区域,其大小反映的区域,其大小反映了抗力了抗力R和载荷效应和载荷效应S之间的概率关系,即为之间的概率关系,即为结构的结构的失效概率失效概率,用用pf表示表示。重叠的范围越小,。重叠的范围越小,结构的失效概率结构的失效概率pf越低;平均值越低;平均值S和和R相差越相差越大,或标准差大,或标准差 和和(离散程度)越小,则(离散程度)越小,则。化学工业出版社 Chemical Industry Press24/12
24、8增加增加R和和S差值差值或减小或减小R和和S的离散的离散程度,可以提高构件程度,可以提高构件的可靠程度。以的可靠程度。以Z表表示示R和和S差值,即差值,即Z=R-S,Z也是服从也是服从正态分布的随机变量,正态分布的随机变量,图图8-4 可靠指标与失效概率关系示意图可靠指标与失效概率关系示意图其概率密度分布曲线如图其概率密度分布曲线如图8-4,则,则Z0 事件的事件的概率就是构件的失效概率,可表示为:概率就是构件的失效概率,可表示为:化学工业出版社 Chemical Industry Press25/128按上式计算失效概率按上式计算失效概率pf比较麻烦,故又建比较麻烦,故又建立了一种可靠指标
25、的计算方法。由于失效概率立了一种可靠指标的计算方法。由于失效概率pf与与Z的平均值的平均值Z值和标准差值和标准差Z值有关,取其比值有关,取其比值可以反映失效概率情况,即为可靠性指标,值可以反映失效概率情况,即为可靠性指标,即即 0)()(dZZfZPpf(8-1)SRSRZZ22 (8-2)化学工业出版社 Chemical Industry Press26/128Z=Z,可以看出可以看出 大大,失效概率小。,失效概率小。和和 pf 一样可作为风险接受准则和可靠性评价指标,一样可作为风险接受准则和可靠性评价指标,已在航空、核电和海洋工程等方面得到普遍已在航空、核电和海洋工程等方面得到普遍应用。表
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