CN108346003B - 多失效模式结构模式敏感性指标分析方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供的一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，应用于输油管路系统，该方法首先定义第一多失效模式结构模式敏感性指标与第二多失效模式结构模式敏感性指标，两者分别用于衡量多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的失效或者正常运行的影响程度；其次基于第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标对输油管路系统的一个或多个管路进行计算，以确定对应各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标，并基于各管路两种指标对输油管路系统进行敏感性分析。该两种指标含义清晰，且计算过程简单，可大幅降低敏感性分析的计算成本，为提高输油管路结构系统稳健性设计提供良好指导作用。

Description

多失效模式结构模式敏感性指标分析方法
技术领域
本公开涉及系统稳健性分析与结构优化设计技术领域，尤其涉及一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法。
背景技术
输油管道(也称管线、管路)是由油管及其附件所组成，并按照工艺流程的需要，配备相应的油泵机组，设计安装成一个完整的管道系统，用以完成油料接卸及输转任务。输油管道系统，即用于运送石油及石油产品的管道系统，主要由输油管线、输油站及其他辅助相关设备组成，是石油储运行业的主要设备之一，也是原油和石油产品最主要的输送设备，与同属于陆上运输方式的铁路和公路输油相比，管道输油具有运量大、密闭性好、成本低和安全系数高等特点。目前，我国原油输送管路已建成4万多公里，包括国内主要产油区的对外输油管路以及境外向国内输送原油的管路。输油管路的安全可靠运行对保障我国的能源安全以及经济发展具有重大的意义。
多失效模式结构模式敏感性指标分析方法主要用来研究各失效模式对整个结构系统的安全运行或失效的影响程度，近年来得到了迅速的发展。Bichon等人针对结构系统的可靠性分析问题提出一种多模式敏感性分析方法，该方法可以识别出对结构系统的失效贡献较小的失效模式，以减少结构系统可靠性分析的计算成本。Mahadevan和Raghothamachar针对六层双跨结构，评估了各失效模式对结构系统失效概率的相关贡献。周长聪等基于失效概率和各极限状态函数的概率密度函数提出了多种模式敏感性分析指标。通过以上多模式敏感性分析方法的不断发展，多模式敏感性分析理论在多失效模式结构系统中的应用也得到极大的推广。
目前多数学者对于多失效模式结构模式敏感性分析方法的研究尚处于理论研究阶段，在工程实际中，将所提出的理论方法应用于大型复杂工程的应用研究并不多，尤其对于输油管路机构系统的模式敏感性分析的应用相对缺乏。输油管路在服役过程中，输油管路系统通过增大管路内部压力促使燃油流通，在反复加压减压的过程中，管路系统容易经受疲劳损伤，而且经过长时间的运行，管路系统容易遭受腐蚀侵害，种种因素都会影响管路系统的正常运行，最终导致管路系统失效甚至引发一系列重大燃油泄漏事故。因此，本发明基于工业管理部门提出的管路安全条例，旨在提高输油管路系统的稳健性和安全性，提出一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，进而可以提高输油管路系统的稳健性和安全性，从而为输油管路结构系统稳健性设计提供理论指导。
根据本公开的一个方面，提供了一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，应用于输油管路系统，所述输油管路系统包括多个相互连通的管路，包括：定义第一多失效模式结构模式敏感性指标，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的失效的影响程度；定义第二多失效模式结构模式敏感性指标，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的正常运行的影响程度；基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标对所述输油管路系统的一个或多个管路进行计算，以确定对应各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标，并基于各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标对输油管路系统进行敏感性分析。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的计算式为：
其中，MIFj为所述第一多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标的计算式为：
其中，MISj为所述第二多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的计算式
通过推导转化为：
在本公开的一种示例性实施例中，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标的计算式
通过推导转化为：
在本公开的一种示例性实施例中，所述基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标对所述输油管路系统的一个或多个管路进行计算，以确定对应各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标包括：基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标，并结合所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的指示函数，以确定所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式，以确定对应各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标。
在本公开的一种示例性实施例中，所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵设为B，基于所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵B计算指示函数Ij和IF分别得到IBj和IB。
在本公开的一种示例性实施例中，所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的样本数据包括各管路的径流系数，各管路的与管路摩擦系数成反比的参数，各管路的衰变系数，各管路的与管路沉淀系数成正比的参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式分别为：
在本公开的一种示例性实施例中，所述确定对应各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标包括：基于各管路的横截面积、摩擦系数以及水力半径确定各管路的极限状态函数中的常数项，并结合各管路的径流系数，各管路的与管路摩擦系数成反比的参数，各管路的衰变系数，各管路的与管路沉淀系数成正比的参数确定各管路的极限状态函数，所述极限状态函数用于判断各管路处于失效或者正常运行状态；基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式，并结合各管路的极限状态函数，使用蒙特卡洛法确定各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标。
由上述技术方案可知，本公开提供一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其优点和积极效果在于：
本公开提供的一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，应用于输油管路系统，所述输油管路系统包括多个相互连通的管路，该方法包括：首先定义第一多失效模式结构模式敏感性指标与第二多失效模式结构模式敏感性指标，两者分别用于衡量多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的失效或者正常运行的影响程度；其次基于第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标对输油管路系统的一个或多个管路进行计算，以确定对应各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标，并基于各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标对输油管路系统进行敏感性分析。
本公开提供的一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，提出了两种多失效模式结构模式敏感性指标，该两种指标含义清晰，更形象的反应各失效模式对结构系统失效的贡献程度，且计算过程简单，可大幅降低多失效模式结构模式敏感性分析的计算成本，为提高输油管路结构系统稳健性设计提供良好的实用性和理论指导作用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出本公开示例性实施例中多失效模式结构模式敏感性指标分析方法的流程图；
图2示意性示出本公开示例性实施例中输油管路系统结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。附图中各层的厚度和形状不反映真实比例，仅是为了便于说明本公开的内容。
本示例实施方式中提供了一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，应用于输油管路系统，所述输油管路系统包括多个相互连通的管路，如图1所示，可以包括：
S11，定义第一多失效模式结构模式敏感性指标，第一多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的失效的影响程度；
S12，定义第二多失效模式结构模式敏感性指标，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的正常运行的影响程度；
S13，基于第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标对输油管路系统的一个或多个管路进行计算，以确定对应各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标，并基于各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标对输油管路系统进行敏感性分析。
本公开提供的一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，提出了两种多失效模式结构模式敏感性指标，该两种指标含义清晰，更形象的反应各失效模式对结构系统失效的贡献程度，且计算过程简单，可大幅降低多失效模式结构模式敏感性分析的计算成本，为提高输油管路结构系统稳健性设计提供良好的实用性和理论指导作用。
下面将结合附图对本示例实施方式中的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法进行详细的说明。
在步骤S11中，定义第一多失效模式结构模式敏感性指标：
其中，MIFj为所述第一多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0。其中，IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，即当结构系统的极限状态函数在某样本点处的数值小于等于0时，IF＝1；当结构系统正常运行时，即当结构系统的极限状态函数在某样本点处的数值大于0时，IF＝0。Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，即当第j个模式的极限状态函数在某样本点处的数值小于等于0时，Ij＝1；当第j个模式正常运行时，即当第j个模式的极限状态函数在某样本点处的数值大于0时，Ij＝0。
根据定义，指标MIFj可以衡量第j个失效模式对结构系统的失效域以及失效概率的影响程度。MIFj数值越大，第j个失效模式对结构系统的失效起到越大的影响。指标MIFj的数值取决于第j个模式在结构系统中所处的位置以及其失效概率。上式由于Pr(IF＝1|Ij＝1)≥Pr(IF＝1|Ij＝0)，因此MIFj数值恒大于等于0。
在步骤S12中，定义第二多失效模式结构模式敏感性指标：
其中，MISj为所述第二多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0。其中，IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，即当结构系统的极限状态函数在某样本点处的数值小于等于0时，IF＝1；当结构系统正常运行时，即当结构系统的极限状态函数在某样本点处的数值大于0时，IF＝0。Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，即当第j个模式的极限状态函数在某样本点处的数值小于等于0时，Ij＝1；当第j个模式正常运行时，即当第j个模式的极限状态函数在某样本点处的数值大于0时，Ij＝0。
根据定义，指标MISj可以衡量第j个失效模式对结构系统正常运行的贡献程度。MISj数值越大，第j个失效模式对结构系统的正常运行起到越大的影响。由公式(2)可以看出，Pr(IF＝0|Ij＝0)≥Pr(IF＝0|Ij＝1)，因此指标MISj数值恒大于等于0。
在本示例实施例中，为方便计算，可以对指标MIFj和指标MISj做进一步推导。
根据公式(1)，指标MIFj可进一步推导为：
由于PfjPr(Ij＝0|IF＝1)/(1-Pfj)≥0，所以MIFj≤Pr(Ij＝1|IF＝1)≤1。因此，多模式敏感性指标MIFj满足0≤MIFj≤1。从公式(1)可以看出，MIFj＝0代表Pr(IF＝1|Ij＝1)＝Pr(IF＝1|Ij＝0)，即第j个模式的失效不会对整个结构系统的失效概率产生影响。从公式(3)中可以看出，MIFj＝1表示Pr(Ij＝0|IF＝1)＝0且Pr(Ij＝1|IF＝1)＝1，即如果整个结构系统失效，第j个模式一定失效，并且结构系统的失效域F包含在第j个模式的失效域Fj中。更进一步，对于并联系统，每个失效模式的指标MIFj恒等于1。
根据公式(2)，指标MISj可进一步推导为：
从公式(4)中可以明显看出，IMSj≤Pr(Ij＝0|IF＝0)≤1，因此，指标MISj同样满足0≤MISj≤1。从公式(2)中可以看出，MISj＝0表明Pr(IF＝0|Ij＝0)＝Pr(IF＝0|Ij＝1)，即第j个模式的状态改变不会对结构系统的正常运行产生影响。从公式(4)中可以看出，MISj＝1表明Pr(Ij＝1|IF＝0)＝0和Pr(Ij＝0|IF＝0)＝1，即当结构系统正常运行，第j个模式肯定不会失效，并且第j个模式的安全域肯定包含整个结构系统的安全域。对于串联系统，每个模式的指标MISj都等于1。
在步骤S3中，基于公式(3)和公式(4)，并结合输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的指示函数，以确定第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式。其中，输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的样本数据可以包括各管路的径流系数C，各管路的与管路摩擦系数成反比的参数Y，各管路的衰变系数K，各管路的与管路沉淀系数成正比的参数W。上述几个参数中，各个管路之间的参数C、Y、K、W等可以相同，也可以不同。输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵可以设为B，基于输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵B计算指示函数Ij和IF分别得到IBj和IB。得到第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式分别为：
接下来，以输油管路系统为例进行敏感性分析。在本示例实施例中，本公开所提供的分析方法可以针对输油管路系统的一个或多个管路进行敏感性分析。其中输油管路系统的各个管路相互连通，各管路之间可以构成串联系统或者并联系统。如图2所示，为一种输油管路系统的部分管路结构示意图，图中管路系统可以包括管路21、管路22、管路23，且管路中流体的流向可以如箭头所示。
如果管路内流通压力超出它的承受能力，则此管路便会失效。管路的基本参数可以包括横截面积，摩擦系数以及水力半径，上述三者均设为固定常数。则结合上述常数项及三个管路之间的参数C、Y、K、W等得到三个管路相对应的极限状态函数：
其中，C1、C2、C3分别为管路21、管路22及管路23的径流系数，Y为与管路摩擦成反比的参数，K为衰变系数，W为与管路沉淀系数成正比的参数，并且假设三个管路的W参数一致。所有的六个输入变量均服从正态分布，均值分别为μC1＝μC2＝0.825，μC3＝μK＝0.900，μW＝8.590，μY＝7.010，标准差为σC1＝σC2＝σC3＝σK＝0.1，σW＝σY＝0.2。
通过蒙特卡洛法计算得到各管路的模式敏感性指标如下表所示，表中计算结果右上角数值为该计算结果变异系数。
输油管路结构系统多模式敏感性指标计算结果
从上表中我们可以看出，六个多模式敏感性指标计算结果都非常精确。敏感性指标MIFj计算结果为管路1与管路2大致相等，均大于管路3，表明管路1和管路2对结构系统的失效具有相近的影响，并且都大于管路3。因为此系统为串联系统，所以三个管路的MISj指标均等于1。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (6)

1.一种多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，应用于输油管路系统，所述输油管路系统包括多个相互连通的管路，其特征在于，包括：
定义第一多失效模式结构模式敏感性指标，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的失效的影响程度；
定义第二多失效模式结构模式敏感性指标，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标用于衡量所述多失效模式结构模式中的任意一个失效模式对结构系统的正常运行的影响程度；
基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标和第二多失效模式结构模式敏感性指标，并结合所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的指示函数，以确定所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式，以确定对应各管路的第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标，并基于各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标对输油管路系统进行敏感性分析；
其中，所述确定对应各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标包括：
基于各管路的横截面积、摩擦系数以及水力半径确定各管路的极限状态函数中的常数项，并结合各管路的径流系数，各管路的与管路摩擦系数成反比的参数，各管路的衰变系数，各管路的与管路沉淀系数成正比的参数确定各管路的极限状态函数，所述极限状态函数用于判断各管路处于失效或者正常运行状态；
基于所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式，并结合各管路的极限状态函数，使用蒙特卡洛法确定各管路的所述第一模式敏感性指标和第二模式敏感性指标；
其中，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的计算式为：
其中，MIFj为所述第一多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0；
所述第二多失效模式结构模式敏感性指标的计算式为：
其中，MISj为所述第二多失效模式结构模式敏感性指标；Pf为整个结构系统的失效概率；Pfj为第j个模式的失效概率；IF为结构系统指示函数，当结构系统失效时，IF＝1，当结构系统正常运行时，IF＝0；Ij为第j个模式的指示函数，当第j个模式失效时，Ij＝1，当第j个模式正常运行时，Ij＝0。
2.根据权利要求1所述的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其特征在于，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的计算式
通过推导转化为：
3.根据权利要求1所述的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其特征在于，所述第二多失效模式结构模式敏感性指标的计算式
通过推导转化为：
4.根据权利要求1所述的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其特征在于，所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵设为B，基于所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵B计算指示函数Ij和IF分别得到IBj和IB。
5.根据权利要求4所述的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其特征在于，所述输油管路系统的一个或多个管路的样本数据矩阵的样本数据包括各管路的径流系数，各管路的与管路摩擦系数成反比的参数，各管路的衰变系数，各管路的与管路沉淀系数成正比的参数。
6.根据权利要求5所述的多失效模式结构模式敏感性指标分析方法，其特征在于，所述第一多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式和第二多失效模式结构模式敏感性指标的最终计算式分别为：
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