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 опенке 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 .
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 и второй линейные преобразователи, выходы которых соединены со входами олока сравнения, второй счетчик 2.
В этом устройстве момент возникновения отказов обусловлен начальным значением и скоростью изменения прочности и начальным значением и скоростью изменения нагрузки, и таким образом это устройство нагрузки и таким образом это устройство лишено отмеченного выше недостатка. Устройство нросто, что является несомненным его достоинством с точки зрения практического осуществления. В то же время его упрощенность является недостатком в смысле невозможности применения к целому 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 функции для описания изменения прочности и нагрузки здесь должны быть существенно нестационарными. В нротивном случае вообще не наблюдается отказов.
Адекватная модель должна объяснить эмпирическую закономерность возникновения отказов нри стационарном характере нагрузки и в отсутствии ярко выражеииой тенденции изменения нрочиости в какомлибо одном нанравленни. Соответственно этому интенсивность отказов будет иметь постоянное значение. Очевидно, что в известном устройстве этого нельзя достичь, не сделав дополнительных весьлта искусственных допущений о характере нлотности распределения начальных значений и скоростей изменения.
Существенио 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 раснределеннем типа гамма-распределения, бетараспределения (на интервале от О до некоторого положительного числа) или хираспределения. В известном устройстве положительность значений прочности и пагрузки не оговаривается.
Для эффективиости 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 но осуществлению изменения нараметров прочности и нагрузки, без чего немыслимо имитировать, исследовать и прогиозировать реальные процессы, происходящие в элемеитах.
Целью изобретения является повыгаение точности устройства.
Для этого устройство содержит первый и второй блоки задания расиределений 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 соедииенные элементы НЕ и задержки подключены к выходу блока сравнения, первые входы
нервого и второго лиггейных преобразователей соединены с выходами первого и второго нелинейных преобразователей, а вторые входы - с выходами нервого и второго масщтабны.х преобразователей соответственно, первые входы первого и второго нелинейных преобразователей соединены с выходамн первого н 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 завнсимости соответственно.
На фиг. I. ирпведена блок-схема нрелТлагаемого устройст15а; на фнг. 2 - график, поясняющий иринцин действия устройства.
Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 случайных чисел, линейный преобразователь 3, генератор 4 случайных чисел, линейный нреобразователь 5, блок 6 сравнения, счетчик 7, счетчик 8, нелинейный нреобразователь 9, нелинейный преобразователь 10, умножитель И, элемент 12 задержки, элемент НЕ 13, умножитель 14, делитель 15, выходную клемму 16, блок 17 задания раснределений случайных чисел, блок 18 задания корреляционной зависимости, масщтабный преобразователь 19, блок 20 задания распределений случайных чисел, блок 21 задания корреляционной зависимости, масщтабный 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 входогз блока сравнения 6. Выход генератора 4 случайных чисел иодключеи через последовательно соеднненные 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 вторымн и третьими входами блоков 9 и 10 соответственно. Выходы блоков 19 и 22 соединены со вторыми входами блоков 3 и 5 соответственно. Выход датчика 23 чисел соединен со вторым входом умножителя 11.
На фиг. 2 изображены кривая I изменения ирочгюсти со временем, кривая III измсиения нагрузки со временем, кривая II плотности одномерного расиределекия прочности, кривая IV плотности одномерного распределения нагрузки, момент V 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 последовательности случайных чисел, представляющих значения прочности через равные малые фомежутки времени, используется генератор 2 случайных чисел, преобразователь 9 и нелинейный преобразователь 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 масщтаба 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 превыщает значение прочности, то блок сравнения 6 вырабатывает импульс, представляюидий возникновение отказа. Средние значения и среднеквадратичные отк.тонения в случайных носледовательностях выбраны таким образом, что среднеквадратичные отклонения прочности и нагрузки в отдельности в несколько раз меньще разности между средним значением прочности и средним значением нагрузки. Естественно, среднее значение прочности больще среднего значения нагрузки. В этом случае импульс на выходе блока 6 сравнения является редким событием, а ноток импульсов - пуассоновским. Таким образом, здесь пуассоновский характер потока отказов возникает как следствие из характера изменения прочностн и нагрузки со временем, а не является предпосылкой модели.
Р1нтенсивность отказов определяется как частное от деления числа отказов за определенный продолжительный промежуток временн и длительности этого промежутка. Длительность промежутка находится путем умножения в умножителе числа тактовых импульсов с выхода счетчика 7 на промежуток времени между двумя тактовыми импульсами, задаваемыми датчиком чисел 23, проводимого в умножителе 11. Однако, как видно из фиг. 2, возможны случаи, когда значение нагрузки нревыщает значение прочности для двух соседних моментов времени. Превышения, кроме первого,
не должны считаться за отказ и должны быть исключены из общего счета, в противном случае возникает значительная ощибка, обусловленная редкостью возникновения превыщенин. 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 имнульс. Таким образом, счетчик 8 считает каждое превыщение, которое имеет место в течение двух или более последовательных моментов времени, только один раз. Делитель 15 делит число импульсов с выхода счетчика 8, соответетвующее 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 проиессе 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 материальных средств и времени, а также оперативность и гибкость при иаучных IlCCvЧeдoвaния, в опытно-конструкторских разработках, ири проверке соответствия элементов тсхнимослим требовапням на них и т. д.
