Устройство для моделирования отказов в системах

 

(1 1) 64

ОП ИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к аьт. свид-ву— (22) Заявлено 29.1 1.76 (21) 2423572/18-24 (51) М. Кл."G 06F 15/20 с присоединением заявки ¹â€” (53) УД1 681.3 (088.8) (43) Опубликовано 30.12.78. Бюллетень № 48 (45) Дата опубликования описания 30.12.78 по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения

A. А. Коорт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАИИЯ ОТКАЗОВ

В СИСТЕМАХ

Государственнык комитет (23) Приоритет—

Изобретение относится к области вычислительной техники и может найти применение при разработке элементов технических систем, при исследовании влияния на надежность элементов внешней нагрузки и внутреннего строения, обуславливающего их прочность, при испытаниях элементов путем полной или частичной замены натурных испытаний исследованием моделей, а также при вероятностной оценке возможности перегрузки самих систем, когда как нагрузка на систему, так и способность системы выдерживать нагрузку случайно меняются со временем.

Известно устройство для моделирования отказов в технических системах, содержащее блок формирования нагрузки, блок имитации и блок фиксации отказов. Однако это устройство не учитывает статистический характер изменения нагрузки и прочности, что ограничивает его возможности,(1).

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство для моделирования отказов в системах, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со входами первого счетчика, первого и второго генераторов случайных чисел, первый н второй линейные прсооразователи, выходы которых соединены со входами блока сравнения, второй счетчик (2).

В этом устройстве момент возникновения отказов обусловлен начальным значением и скоростью изменения прочности и начаlbHbIM значением и скоростью изменения нагрузки, и таким образом это устройство нагрузки и таким образом это устройство лишено отмеченного выше недостатка. Уст10 ройство просто, что является несомненным его достоинством с точки зрения практического осуществления. В то же время его упрощенность является недостатком в смысле невозможности применения к цело15 му ряду важных механизмов возникновения отказов элементов, а также систем.

В терминах математической теории вероятностей в основе этого устройства лежит применение вырожденных случайных функций, в данном случае линейной функции со случайным начальным значением и случайной скоростью изменения. Этим обстоятельством обусловлена сильная, для больших моментов времени стремящаяся к максимальной корреляция между значениями случайной функции в разные моменты времени. Однако практически далеко не всегда наблюдается такая сильная корреляция. К тому же случайные

30 функции для описания изменения прочно640304 сти и нагрузки здесь должны быть существенно нестационарными. В противном случае вообще не наблюдается отказов.

Адекватная модель должна объяснить эмпирическую закономерность возникновения отказов при стационарном характере нагрузки и в отсутствии ярко выраженной тенденции изменения прочности в какомлибо одном направлении. Соответственно этому интенсивность отказов будет имеи постояннос значение. Очевидно, что в известном устройстве этого нельзя достичь, не сделав дополнительных весьма искусственных допущений о характере плотности распределения начальных значений и скоростей изменения.

Существенно положительный характер прочности элемента и действующей на него нагрузки как физических величин необходимо накладывает ограничения на выбор случайных функций для описания прочности и нагрузки, оставляя для этой цели функции с одномерным распределением типа гамма-распределения, бетараспределения (на интервале от 0 до некоторого положительного числа) или хираспределения. В известном устройстве положительность значений прочности и нагрузки не оговаривается.

Для эффективности моделирования его результатом должна быть величина, легко сравниваемая с эмпирическими данными.

Однако известное устройство не содержит указаний на определение интенсивности отказов, являющейся основной применяемой на практике характеристикой надежности элементов.

Ограниченность известного устройства обнаруживается также в отсутствии какихлибо предложений по осуществлению изменения параметров прочности и нагрузки, без чего немыслимо имитировать, исследовать и прогнозировать реальные процессы, происходящие в элементах.

Целью изобретения является повышение точности устройства.

Для этого устройство содержит первый и второй блоки задания распределений случайных чисел, первый и второй блоки задания корреляционной зависимости, первый и второй масштабные преобразователи, первый и второй нелинейные преобразователи, первый и второй умножители, датчик чисел, элемент задержки, элемент

НЕ и делитель, выход которого является выходом устройства, а первый вход соединен с выходом первого умножителя, входы которого подключены к выходам датчика чисел и первого счетчика соответственно, второй вход делителя через второй счетчик соединен с выходом второго умножителя, первый вход которого непосредственно, а второй через последовательно соединенные элементы HE и задержки подключены к выходу блока сравцспиrI, первые вхо Ihl

)0

33

60 (!5 первого и второго линейных преобразователей соединены с выходами первого и второго нелинейных преобразователей, а вторые входы — с выходами первого и второго масштабных преобразователей соответственно, первые входы первого и второго нелинейных преобразователей соединены с выходами первого и второго генераторов случайны.; чисел, вторые входы —— с выходами первого и второго блоков задания распределений случайных чисел, а третьи входы — с выходами первого и второго блоков задания корреляционной зависимости соответственно.

На фиг. 1. приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — график, поясняющий принцип действия устройства.

Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 случайных чисел, линейный преобразователь 3, генератор 4 случайных чисел, линейный преобразователь 5, блок 6 сравнения, счетчик 7, счетчик 8, нелинейный преобразователь 9, нелинейный преобразователь 10, умно>китель 11, элемент 12 задержки, элемент НЕ

13, умножитель 14, делитель 15, выходную клемму 16, блок 17 задания распределений случайных чисел, блок 18 задания корреляционной зависимости, масштабный преобразователь 19, блок 20 задания распределений случайных чисел, блок 21 задания корреляционной зависимости, масштабный преобразователь 22, датчик чисел 23.

Выход генератора 1 тактовых импульсов соединен с входами генераторов 2 и 4 случайных чисел и счетчика 7. Выход генератора 2 случайных чисел подключен через последовательно соединенные нелинейный преобразователь 9 и линейный преобразователь 3 к одному из входов блока сравнения 6. Выход генератора 4 случайных чисел подключен через последовательно соединенные нелинейный преобразователь 10 и линейный преобразователь 5 ко второму входу блока сравнения 6. Выход блока сравнения 6 подключен к одному входу умножителя 14 через последовательно соединенные элемент 12 задержки и элемент НЕ

13, а к другому входу непосредственно. Выход умножителя 14 соединен со входом счетчика 8, выход которого соединен с первым входом делителя 15. Второй вход делителя 15 соединен с выходом счетчика 7 через умножитель 11. Выход делителя 15 соединен с выходной клеммой 16 всего устройства. Выходы блоков 17. 18, 20 и 21 соединены со вторыми и треты.ми входами блоков 9 и 10 соответственно. Выходы блоков 19 и 22 соединены со вторыми входами блоков 3 и 5 соответств нио. Выход датчика 23 чисел соединен со вторым входом умножитсля 11.

1-1а фиг. 2 изображены кривая I изменения прочности со временем, кривая III из640304

65 мспения нагрузки со временем, кривая II плотности одномерного распределения прочности, кривая IV плотности одномерного распределения нагрузки, момент У возникновения первого отказа, момент VI появления второго отказа и момент VII вторичного наблюдения отказа.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 тактовых импульсов синхронизирует работу всего устройства, в частности запускает генераторы 2 и 4 случайных чисел. Для получения коррелированной госледоватсльности случайных чисел, представляющих значения прочности через равныс малыс промежутки времени, используется генератор 2 случайных чисел, преобразователь 9 и нелинейный преооразователь 3.

Получение коррелированной последовательности случайных чисел для представления значений нагрузки через те же малые интервалы времени осуществляется аналогичным образом при помощи генератора 4 случайных чисел, нелинейного преобразователя 10 и преобразователя 5. Нелинейные преобразователи 9 и 10 преобразуют некоторое количество независимых случайных чисел с выходов генераторов 2 и 4 в случайные числа, имеющие лишь положительные значения, путем возведения в квадрат. Этим обеспечивается положительность значений прочности и нагрузки, необходимая с точки зрения их физической природы. Марковость нелинейных преобразователей 9 и 10 можно обеспечить использованием при образовании каждого последующего числа в последовательности помимо независимых чисел, также тех случайных чисел. которые применялись при выработке предыдущего числа в последовательности. Марковость нелинейных преобразователей обуславливает марковость последовательностей случайных чисел, которые представляют значения прочности и нагрузки через определенные промежутки времени. С другой стороны, именно коррелированность этих последовательностей позволяет связать между собой статические параметры прочности и нагрузки с интенсивностью отказов, как величиной, характеризующей динамику отказов. Для получения необходимого масштаба значений прочности и нагрузки без изменения их марковости и положительности применяются линейные преобразователи 3 и 5 случайных чисел.

Значения прочности и нагрузки с выхода линейных преобразователей 3 и 5 сравниваются в блоке сравнения 6. Если в момент сравнения значение нагрузки превышает значение прочности, то блок сравнения 6 вырабатывает импульс, представляющий возникновение отказа. Средние значения и среднеквадратичные отклопе5

1О !

Я

4о

50 ния в случайных последовательностях выбраны -,àê:-:м образом, что среднеквадратичные отклонения прочности и нагрузки в отдельности в несколько раз меньше разности между средним значением прочности и средним значением нагрузки. Естественно, среднее значение прочности больше среднего значения нагрузки. В этом случае импульс па выходе блока 6 сравнения является редким событием, а поток импульсов — пуассоновскпм. Таким образом, здесь пуассоновский характер потока отказов возникает как следствие из характера изменения прочности и нагрузки со временем, а не является предпосылкой модели.

Интенсивность отказов определяется как частное от деления числа отказов за определенный продолжительный промежуток времени и длительности этого промежутка. Длительность промежутка находится путем умножения в умножителе числа тактовых импульсов с выхода счетчика 7 HB промежуток времени между двумя тактовыми импульсамп, задаваемыми датчиком чисел 23, проводимого в умножителе 11. Однако. как видно из фиг., возможны случаи, когда значение нагрузки превышает значение прочности для двух соседних моментов времени. Превышения, кроме первого, не должны считаться за отказ и должны быть исключены нз сгбщего счета, в противном случае возникает значительная ошибка, обусловленная редкостью возникновения превышений. Поэтому устройство содержит элемент задержки 12 импульсов с выхода блока 6 сравнения на один такт, элемент НЕ 13, вырабатывающий на выходе импульс, когда на его входе импульса нет и наоборот, и умножитель 14, вырабатывающий импульс на выходе лишь в том случае, когда на обоих входах имеется импульс. Таким образом, счетчик 8 считает каждое превышение, которое имеет место в течение двух или более последовательных моментов времени, только один раз.

Делитель 15 делит число импульсов с выхода счетчика 8, соответствующее числу отказов, на длительность промежутка, образуемую на выходе умножителя 11. и значение снимается с клеммы 16.

Блоки 17, 18, ... 22 позволяют задавать статистические характеристики в процессе моделирования.

Устройство позволяет заменить натурные испытания элементов технических систем, а также самих систем, исследованием их моделей или сочетать натурные испытания и исследование моделей, чем достигается экономия матсрпальных средств и времени, а также оперативность и гибкость при научных»сследованиях, в опытно-конструкторских разработках, при проверке соответствия элементов тсxllll÷åë нм требованиям па 1I1lx и т. д.

640304

yj Ж

Фаг ) Типография, пр. Сапунова, 2

Устройство позволяет определить интенсивность отказов и в том случае, когда прочность элемента и нагрузка на него описываются случайными функциями, стационарными по своей природе. 5

При помощи устройства можно обеспечить любую заданную точность определения интенсивности отказов. При прочих равных условиях точность растет прямо пропорционально корню квадратному из 10 числа сравнений значений прочности и нагрузки.

Помимо проблем надежности, устройство можно использовать для нахождения путем моделирования других физических ве- 15 личин, если задачу их определения можно сформулировать через сравнение значений двух случайных стационарных марковских последовательностей.

Формула изобретения

Устройство для моделирования отказов в системах, содержащее генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со 25 входами первого счетчика, первого и второго генераторов случайных чисел, первый и второй линейные преобразователи, выходы которых соединены со входами блока сравнения, второй счетчик, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит первый и второй блоки задания распределений случайных чисел, первый и второй блоки задания корреляционной зависимости, пер- 35 вый и второй масштабные преобразователи, первый и второй нелинейные преобразователи, первый и второй умножители, датчик чисел, элемент задержки, элемент

НЕ и делитель, выход которого является выходом устройства, а первый вход соединен с выходом первого умножителя, входы которого подключены к выходам датчика чисел и первого счетчика соответственно, второй вход делителя через второй счетчик соединен с выходом второго умножителя, первый вход которого непосредственно, а второй через последовательно соединенные элементы НЕ и задержки подключены к выходу блока сравнения, первые входы первого и второго линейных преобразователей соединены с выходами первого и второго нелинейных преобразователей, а вторые входы — с выходами первого и второго масштабных преобразователей соответственно, первые входы первого и второго нелинейных преобразователей соединены с выходами первого и второго генераторов случайных чисел, вторые входы — с выходами первого и второго блоков задания распределений случайных чисел, а третьи входы — с выходами первого и второго блоков задания корреляционной зависимости соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 306468, кл. G 06G 7/02, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР № 146869, кл. 6 06G 7/52, 1961.

Составитель А. Карасов

Редактор Ю, Челюканов

Техред А. Камышникова

Корректоры: Л. Брахнина и О. Тюрина

Заказ 2724/7 Изд. ¹ 783

Тираж 799 Подписное

ППО Государственного комитета

СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Я(-35, Раушская наб., д. 4/5