柔性机构动态可靠性分析研究进展

随机结构可靠性研究的历史可以追溯到20世纪20年代,匈牙利、德国和前苏联的少数学者开始了结构零部件可靠性研究的探索。尽管这项研究工作富有开拓性,但是由于当时的科技发展水平和实际需求,结构可靠性分析方法在当时未能立刻引起广大学者和社会的广泛重视。

在第二次世界大战期间以及随后的一段时期,许多复杂大型结构出现了在设计使用寿命内,在规定的载荷条件和使用环境下,却不能按预期正常工作的事件。例如:美国空军飞机在二战期间因飞机自身故障而损失的飞机为21000架,比实战中被击落的数量多1.5倍;机载、舰载电子设备约70%~80%为运输、储存过程中的故障损耗而非作战消耗。除此以外,其他民用大型设备也相继频繁出现类似故障,这逐渐引起人们的关注和重视。

1947年,前苏联学者Ржаницьн提出使用一次二阶矩方法(First Order Second Moment,简称FOSM)估算结构的可靠性,同期,美国学者Freudenthal发表了论文“The Safety of Structures”,论文中论述了传统设计方法中的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系,建立了结构可靠性分析的理想数学模型,引起了学术界、工程界的普遍关注并得到了学术界、工程界的接受和赞同,成为可靠性理论确立的一个奠基性标志^[15]。

美国军方于1952年在陆、海、空三军各自建立研究可靠性问题委员会的基础上,成立了政府的职能管理部门,即国防部电子设备可靠性顾问团(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment,简称AGREE)。1957年,AGREE发表了著名的《电子设备可靠性报告》。这个报告较完整地阐述了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,提出了电子产品在生产、保障、运输、储备等方面需要注意的问题和要求等,被认为是可靠性问题研究的奠基性文件,标志着可靠性理论在20世纪50年代开始形成,并逐渐发展成为独立的工程技术学科。

20世纪60年代,许多大型工程的开发研制不但在计算上提供了强有力的技术支持,而且使可靠性理论和方法得到了全面发展和具体应用,并从零部件的可靠性研究逐渐转向随机结构系统可靠性分析。例如:1964年,IBM公司花费50亿美元开发了第三代计算机的代表产品IBM360/370;1965年,第一台超级计算机CD6600/7600开发成功;1968年,通用动力公司开始研制F-111A战斗轰炸机;1969年,INTERNET的前身ARPANET计划开始启动,阿波罗登月计划成功,麦道公司开始研制F-15A战斗机,通用动力公司与克莱斯勒公司开始共同研制M1坦克,波音飞机公司开始研制“民兵3”式弹道导弹。在这段时期内,经典可靠性理论逐步创立,做出杰出贡献有代表性的学者主要有美国的Cornell^[16]和加拿大的Lind^[17]。其中,Cornell在Ржаницьн研究的基础上提出了在可靠度分析中应用直接与失效概率相联系的可靠度指标β来衡量结构的可靠度,并且建立了与Ржаницьн相似的一次二阶矩理论。Lind进一步提出将可靠度指标β转化为易于为工程界接受的分项系数形式,推动了结构可靠度理论在设计规范中的应用。在研制“民兵3”式弹道导弹和阿波罗登月计划的研制过程中,美国贝尔实验室发明了故障树分析方法(Fault Tree Analysis,简称FTA),对系统进行故障模式及影响分析(Failure Mode and Effects Analysis,简称FMEA),FTA成为结构系统可靠性研究的开创性实践,被美国宇航局(Na-tional Aeronautics & Space Administration,简称NASA)归纳为登月成功的三大关键技术之一。20世纪60年代中期,随机结构系统分析随着摄动方法的兴起和概率论思想的普及逐渐引起专家学者的兴趣和关注,最早起源于对具有随机参数微分方程的研究。Soong和Bogdanoff研究了具有随机参数无规则线型链索的频率解问题,采用传递矩阵技术和摄动展开思想相结合,给出了考虑随机参数的频率解答^[18];Boyce和Goodwin研究具有随机参数的弦和梁的特征值问题等^[19]。在他们的研究中,采用了摄动逼近的思想,同时考虑了材料特征与边界条件随机性,是关于随机结构的探索性研究。直到20世纪60年代末,随机结构的研究才真正引起了广泛的兴趣和注意。Collins和Thompson^[20]采用二阶Tay-lor级数展开表示系统的特征值、特征向量和系统的随机参数,形成了进行随机动力系统特征值分析的基本格局;Shinozuka和Astill^[21]采用摄动技术研究随机动力系统的特征值,其意义在于初步形成了随机动力系统的特征值分析的基本方法。随机结构系统分析的探索为结构动力学、随机振动和结构动力可靠性的研究开辟了道路,也为随机机构分析和机构可靠性研究提供了富有价值的参考。

进入20世纪70年代,结构可靠性的研究步入成熟,这一阶段的主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构,负责组织、协调国防部范围内的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题,制定出一套较完善的可靠性设计、试验及管理的方法和程序。一方面,可靠性研究的开展带来了巨大的经济效益,例如,日本的汽车、工程机械、发电设备、电子、电气产品因其质量好而享誉全球,并因此减少大量维护成本、节约大量维修费用而获得了巨大的经济利润。可靠性研究成果的成功应用使可靠性理论和方法迅速向更加广泛的领域进军,进一步促进了可靠性研究的发展。另一方面,恶性事故依旧频繁出现使可靠性研究面临新的挑战。例如:1971年,前苏联三名宇航员在“礼炮”号飞船中由于一个部件失灵而丧命;1974年,F-15A战斗机交付使用,但F-15A战斗机可靠性很差,需要经常返回车间维修,甚至有“车间皇后”的戏称;1978、1979两年期间,美国宇航局三次火箭发射相继失败,损失1.7亿美元;1979年,美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站发生核泄漏事故,20万人紧急撤离。上述恶性事故对结构可靠性研究提出更加迫切的要求,为了借鉴大型工程成功研制的经验,同时吸取重点事故的教训,在20世纪70年代相继研制的高技术武器系统都提出了更高的可靠性要求。如:1976年首飞,由美国通用动力公司研制的空军F-16A单发轻型战斗机;1976年首飞,由美国麦道公司和诺斯罗普公司共同研制的海军的F/A-18A双发超音速舰载战斗/攻击机;1974年首飞,由英国霍克·西德利公司(现并入英国航宇公司)研制的双座单发“隼”式教练攻击机。上述飞机在设计研制阶段就着重进行质量控制和可靠性分析,在定型交付使用后,有效地避免了F-15A战斗机诸多的质量问题。系统可靠性理论在这段时期内也日臻成熟,有代表性的成就主要有:Hasofer和Lind提出根据失效面而不是安全裕量方程定义失效模式的可靠度指标β,这种方法的结果不会由于选择形式不同的等价安全裕量方程而变化^[22]。Ditlevsen通过考虑失效模式之间的关系,提出了2阶窄可靠度上下界理论,并且在系统主要失效模式集已知的前提下,可以建立N阶窄可靠度上下界理论。这种方法标志着结构系统综合失效概率上下界估算的问题在工程上有了可以实现的解决方案^[23,24]。

与此同时随机结构分析方法也逐渐发展起来,随机有限元方法、随机场理论和随机模拟方法在随机结构静力分析和动力响应方面得到了发展和应用。对随机结构分析做出突出贡献的学者主要是:Hart和Collins^[25]、Hasselman和Hart^[26]、Chen和Soroka^[27]将摄动技术和有限元结合,形成了摄动随机有限元研究的基本思路;Shinozuka和Wen采用Monte Carlo随机模拟方法对随机结构进行了系统的分析^[28];Shinozuka和Lenoe建立了材料空间分布随机特性的随机场模型^[29]。(www.xing528.com)

20世纪80年代以及其后的岁月,结构可靠性理论和方法向更深更广的方向发展,形成了完整系统的工程技术学科。Murotsu等提出了识别系统失效模式的分枝约界法^[30];Thoft-Christensen和Sorensen提出了识别系统主要失效模式的β约界法^[31];Moses通过分析结构系统的失效演化过程,求出系统的系列主要失效模式,并提出了增量载荷法^[32];Ang A H-S和Tang提出了FTA方法和概率网络评估技术^[33];Feng和Moses在增量载荷法基础上进一步采用无损结构系统可靠度指标和残余结构系统可靠度指标共同规范设计,以确保结构具有合理的残余可靠度储备^[34]。1980年以来,世界各国开发研制的高技术产品逐渐大型化、精密化、复杂化。例如:美国波音系列、麦道系列、欧洲空中客车系列以及俄罗斯图波列夫系列和伊留申系列的大型军用、民用客机陆续开始研制;其他领域内的机电产品、土木工程结构、能源化工设施等都逐渐向大型化、精密化、复杂化方向发展。尤其值得一提的是人类对外太空探索过程中具有历史意义的大型科研活动——国际空间站的建设和深空探测的活动。1983年,由美国总统里根提出的国际空间站(International Space Station,简称ISS)合作计划,得到了美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲航天局的11个成员国共16个国家的支持。国际空间站于1993年完成设计,并逐渐开始实施。国际空间站长108m,重约430t,预计投资总额将超过630亿美元,历时10年左右的时间建成。国际空间站在组装阶段,其主要设施由俄罗斯的质子号火箭、欧洲航天局阿里安5号火箭以及美国的航天飞机发射运送,累计发射运送次数约为80次左右。组装完成后的天地往返运输工作由美国的航天飞机、俄罗斯的联盟-TM飞船及进步号货运飞船完成。随机结构分析在这一时期也得到进一步的发展,随机有限元、随机场理论、谱分解方法和正交分解方法在随机结构静力分析以及随机结构动力分析方面取得进展。Vanmarcke较系统地研究了随机场理论,1983年,Vanmarcke的专著《随机场:分析与合成》的出版奠定了随机场局部平均的理论基础^[35];Ghanem和Spanos利用Karhumen-Loeve级数将随机场正交展开,并由此推导出随机刚度矩阵的级数展开式的一类算法,称为正交展开法(或规范展开法)。其专著《随机有限元:一个谱方法》是随机有限元领域中第一本专著,该书主要讨论了用谱方法将随机过程的响应用离散、独立的随机变量来表示,进而在Hilbert空间中求解^[36]。Yamazaki和Shinozuka将随机方程的Neumann展开引入随机有限元方程中,并将随机场函数的Monte Carlo模拟与随机刚度的Neumann级数展开式结合,得到了精度较高的一类Neumann随机有限元列式,使随机模拟的效率大大提高^[37]。这些成就为随机结构静力可靠度和随机结构动力可靠度的研究奠定了理论基础,同时为随机柔性机构可靠性分析提供了参考。

随着人类进入21世纪,美国、俄罗斯、欧洲和日本的深空探测活动陆续频繁,人类对月球、太阳系的行星及其卫星、彗星、小行星的探测不断深入。2003年6月10日,携带“勇气”号火星车的美国“火星探测流浪者”号探测器发射升空。2004年1月3日,美国“勇气”号火星车在火星表面成功着陆;2003年7月7日,美国“勇气”号的孪生兄弟“机遇”号火星车发射升空。2004年1月25日,“机遇”号火星车成功着陆火星。2002年4月,俄罗斯、美国和欧洲航天局联合公布了登陆火星计划,参加火星登陆计划的各方已同意在2014至2015年间,派遣宇航员向火星进发。按照计划,由各方选派的6名宇航员将在2014至2015年间乘坐飞船飞赴火星。人类的智慧促进了科学技术的发展进步,使自己的脚步不断延伸,将开拓前所未有的创举;同时人类也肩负着神圣的使命,将迎接更加艰巨的挑战,其中,保证高可靠性就是极为关键的技术之一。可靠性技术也必将在人类不断探索的过程中得到进一步的发展,取得更加辉煌的成就。

我国结构可靠性的研究起步于20世纪50年代末,当时的四机部(即电子工业部)成立了专门的可靠性研究机构,调查电子产品的失效情况,开展了电子产品的可靠性和环境适应性试验研究,对电子设备及系统的可靠性设计和试验进行了试探性的研究。20世纪60年代中期,我国的航空航天部也开始了可靠性研究。20世纪70年代,我国电子产品的可靠性研究工作取得了显著的成效,保证了人造卫星的成功发射,但总体发展缓慢,与国际先进水平相比,还有很大的差距,非电产品的可靠性研究还处于萌芽阶段。到了20世纪80年代,随着我国的改革开放和国民经济发展的需要,各部委质量管理部门认识到可靠性问题的重要性,把可靠性工作提到了议事日程,我国的可靠性研究工作进入了一个崭新的时期。1980年,国家标准总局召开了全国电子产品环境条件与环境试验标准化技术第一次工作会议,同年12月,建立了全国性的“可靠性数据交换网”,经可靠性摸底试验和数据收集,编写出版了《我国电子元器件失效率手册》、《电子元器件失效率预计手册》和《电子设备可靠性手册》。1982年,成立“全国可靠性与维修性标准化技术委员会”,领导完成了可靠性名词术语、可靠性试验方法、可靠性管理、失效分析等方面行业标准、国家军用标准和国家标准的编写。机械部陆续发表了加强机电产品可靠性管理的多个文件并制定了机械产品可靠性指标的考核评定管理方法,以及部分产品的考核评定标准和规范^[38-40]。从20世纪80年代起,可靠性在我国越来越受到重视,研究的领域从电子产品扩展到非电产品,应用范围也越来越广。高等院校和研究机构也开始从事可靠性研究,我国从事可靠性研究的学者、专家开始编著、翻译出版有关可靠性的学术专著,如王光远院士^[41]、赵国藩院士^[42]、杨为民教授^[43]、冯元生教授^[44,45]等为开创我国可靠性理论、方法和应用的研究做出了突出的贡献。同时,我国随机结构分析的研究也在理论、方法和应用方面取得了进展,陈予恕院士^[46]、陈塑寰教授^[47]、李杰教授^[48]、朱位秋院士^[49,50]、欧进平院士^[51]等做出了奠基性的工作。

结构可靠性理论和随机结构分析方法为机构随机性分析以及机构可靠性分析奠定了基础。主要的结构系统可靠性分析方法有一次二阶矩、高次高阶矩、Monte Carlo、响应面方法和随机有限元方法。主要的随机结构分析方法有摄动方法、Monte Carlo方法、随机有限元方法和正交展开法。

另外,模糊理论在结构可靠性领域的应用拓展了可靠性研究的方法。综合考虑结构的随机性和模糊性,丰富了结构可靠性理论和方法在实践当中的应用。在国外文献中,Utki和Gulov^[52]、Liu等^[53]、Biondini等^[54]、Tanrioven等^[55]、Mahapatra和Roy^[56]学者进行了结构模糊可靠性理论的探索和应用;在国内,模糊可靠性理论和方法的研究也很活跃,白广忱等^[57,58]、黄洪钟等^[59]、董玉革^[60]、蔡开元等^[61]、李廷杰^[62]、王卫东等^[63]学者系统论述了模糊可靠性的理论,提出了模糊可靠度计算方法,结合典型机构进行了模糊可靠性理论和方法的实例验证,取得了很好的效果。

除此之外,灰色系统理论和人工智能也在结构可靠性研究领域取得了进展。邓聚龙教授创立了灰色系统理论,并在自动控制和系统可靠性领域得到了应用^[64];段齐骏^[65]、肖芳淳^[66]、江龙平^[67]、罗佑新^[68,69]等学者的工作使灰色系统理论在结构可靠性分析上得到了具体的应用;以人工神经网络(Artificial Neural Network,简称ANN)为代表的人工智能方法逐渐被应用到可靠性研究领域,为复杂结构系统的分析和可靠度计算提供了新的尝试,国内外的学者Gomes和Awruch^[70]、Paola等^[71]、Papadrakakis和Lagaros^[72]、阎宏生等^[73]、董聪和刘西拉^[74]、桂劲松和康海贵^[75]、胡强等^[76]进行了卓有成效的探索,取得了很好的计算结果。