可靠性结构优化设计概述课件

极限状态和功能函数
• 极限状态: 结构安全、适用、耐久和结构 失效的界限. • 工作状态: 失效状态、可靠状态、极限状态. • 功能函数: 表示结构的工作状态的函数,用g(X)表示
0 失效状态 Z g ( X ) ＝0 极限状态 〉 0 可靠状态
结构的工作状态
X1 g(X)<0 失效域 g(X)>0
主要内容
• • • • • 可靠性的概念 可靠性结构在国内外的发展史 结构设计的分化 基于可靠性的结构优化设计 可靠性的基本理论与方法
一、可靠性问题提出 一、可靠性问题提出
1. 2. 3. 4.
产品质量含义不断扩充 沉痛的教训需要产品可靠性 经济发展的必然趋势 可靠性是产品质量的核心
5. 产品责任的确定需要
working life），是一个设计规定的一个时期， 在这时期内，只需进行正常的维护而不需进行 大修就能按预期目的使用，完成预定的功能。
结构设计使用年限
类别 1 设计使用年限 5 示例 临时性结构
2 3
4
25 50
100
易于替换的结构构件 普通房屋和构筑物
纪念性建筑和特别重要的建筑结 构
三、可靠性学科发展历史
四、可靠性工作在工程领域的开展情况 公元前2250年，人类已经重视建筑物的安全。 古巴比伦的法规中规定： 如房屋倒塌，导致业主死亡，建造者应判处 死刑；导致业主的儿子死亡，建造者的儿子应 判处死刑；导致导致业主的奴隶死亡，建造者 应以等量的奴隶赔偿；如导致财物损失，则建 造者应予补偿，对倒塌房屋要由建造者重建， 费用由建造者承担。
二、可靠性的概念
• 定义： 结构在规定的时间内，正常设计、 正常施工、正常使用和维护的条件 下，完成预定功能的能力为可靠性。 包括安全性、适用性、耐久性和经 济性。 • 两个要素： 规定的时间 预定 功能
• 规定时间:国际标准ISO2394：1998《结构可
靠性总原则》中是指设计使用年限（design
理论之一，它主要是研究与解决各种可靠源自文库问
题的数学方法和数学模型，研究可靠性的定量 规律。（概率及数理统计，随机论，运畴学）
（2）可靠性物理
研究失效的物理原因与数学物理模型及检测方法与纠正措 施的一门可靠性理论。（故障或失效物理）
它是从本质上、从机理方面探究产品不可靠因素，从而为 研制、生产高可靠性产品提供科学的依据。 （3）可靠性工程 对产品的失效现象及概率进行试验、分析、预测、控制的
基本随机变量的分类
• 作用:施加在结构上的直接作用（集中力或分布力） 和引起结构外加变形或约束变形的间接作用，如 结构的自重、车辆荷载、风荷载、雪荷载、土压 力、水压力，以及温度作用、地震和地基的不均 匀沉降等。
• 抗力:结构或构件承受作用效应的能力，称为抗力， 如承载能力、刚度、抗裂等，而它们是根据构件 的几何参数和材料性能这些具体的设计参数，通 过计算得出。
• 影响正常使用的振动；
• 影响正常使用的其他特定状态。
边缘性学科。
可靠性工程包括了对结构、荷载等性能的可靠性数据的收 集与分析、可靠性设计、预测、管理、控制和评价。
①可靠性设计 可靠性工程的一个重要分支，因为产品的可靠性在
很大程度上取决于设计的正确性。
②可靠性预测 它是一种预报方法，在设计阶段即从所得的失效 率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度，预
随着统计数学在工程结构设计中的初步应用， 容许应力法中荷载和材料性能的标准值等均为 经统计理论处理后的量值，而且以结构的极限 状态为依据，故称这种设计法为半概率半经验 的极限状态法设计法，习惯上也称为容许应力 法
。
五、可靠性研究的范畴及内容
1.范畴
（1）可靠性数学
可靠性数学是可靠性研究的最重要的基础
• 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆、滑移 等）； • 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏）， 或因过渡变形而不适于继续承载； • 结构转变为机动体系；
• 结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）
当结构或结构构件出现下列状态之一时， 应认为超过了正常使用极限状态：
• 影响正常使用或外观的变形； • 影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）；
报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时 间内完成规定功能的概率。
六、可靠性设计基本随机变量
• 自然界和社会上存在随机现象.
• 随机性数学（如概率论和数理统计、随机过程 等）是研究随机性的近现代数学理论.
• 结构工程中，从结构的材料、施工和使用等方 面看均存在不确定因素，结构可靠性理论以随 机性数学为工具.
1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联 合成立了电子设备可靠性咨询组（AGREE）。
1957年，AGREE发表了著名的“军用电子设备的可靠 性”报告，提出了在研制及生产过程中对产品的可靠性指 标进行试验、验证和鉴定的方法，电子产品在生产、包装、 储存和运输等方面要注意的问题及要求等。这个报告被公 认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此， 可靠性学科逐渐发展成为一门独立的学科。 可靠性的提出，以及一些相应工作的开展，机构的建 立，最初是从电子产品，航空航天部门开始的。
O
g(X)=0 极限状态 X2
可靠域
功能函数举例
P
L
P
截面面积=A，抗拉强度=F
R
F FA [△ ]
容许长 细比
S
P/A
P
PL/(EA)
长细 比
=0
分类
• 承载能力极限状态（包括疲劳承载能力极限状态） • 正常使用极限状态（包括疲劳正常使用极限状态） • 破坏──安全极限状态
当结构或结构构件出现下列状态之一时， 应认为超过了承载能力极限状态:
•人类早期凭借实践经验，利用天然材料修 建各种结构物； •工程力学的发展和钢铁等新材料的出现， 19世纪起出现了半经验半理论的容许应力 法,认为只要结构的应力不大于容许应力,结 构既处于安全状态； •20世纪30年代，强调结构的破坏及材料的 塑性性能与破坏强度有直接关系的破坏强 度法得到重视和发展；
七、结构应满足的功能和极限状态
1. 结构应满足的功能
(1) 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各 种作用.(安全性)
(2) 在正常使用时，具有良好的工作性能.(适用性)
(3) 在正常维护下，具有足够的耐久性能.(耐久性)
(4) 在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持
必需的整体稳定性.(安全性)