(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ
I
Изобретение относится к вычислительной технике и может найти применение при разработке технических систем и элементов этих систем, при исследовании влияния на надежность элементов внешней нагрузки и внутреннего строения, обуславливающего их прочность, при испытаниях элементов путем частичной замены натурных испытаний исследованием моделей.
Известен способ дюделирования отказов, заключающийся в сравнении случайного значения прочности и случайного значения нагрузки, рассмотрении отказа как события, когда нагрузка превышает прочность, и определении вероятности отказа через долю этих событий в общем количестве сравнений прочности и нагрузки 1.
Однако этот способ, мало нрйспособлен для практического применения при разработке систем вычислительной техники, автоматики и радиоэлектроники, так как для обоснованного применения элементов в разрабатываемых системах важно знать, какие значения имеют параметры безотказности элементов при различных нагрузках на них и при различных их температурах. В известном спосо0е не указано, какое воздействие
оказывает температура на прочность элемента и, следовательно, на возникновение отказов, не уточнено, какой из параметров вероятностного распределения нагрузки меняется, когда меняется номинально прилагаемая внешняя нагрузка. Экспериментальное определение параметров безотказности новых элементов по причине их высокой безотказности, требующей длительных испытаний с большим количеством элементов, да еще при различных нагрузках и температурах, практически невозможно завершить до их применения в разрабатываемых системах. Известный способ моделирования не позволяет полностью заменить натурные испытания моделированием, поскольку для применения модели дол5 жны быть известны значения некоторых эмпирических параметров, определение которых не проще самих испытаний элементов. Этот способ непосредственно неприменим и для частичной замены натурных испытаний
исследованиями на моделях путем экспериментального определения параметров безотказности при некоторых опорных значениях температуры (найример, при 20°С) и нагрузки (например, при максимально допустимой) и определения моделированием отклонения параметров безотказности от опорных значений в зависимости от отключения температуры и Harpy3Kt: от своих, опорных значений. , Известно устройство для моделирования нагруз и, содержащее генератор тактовых импульсов, счетчик, генератор независимых нормальных случайных чисел, устройство образования коррелировс1нных нормальных случайных чисел, два кзадратора, интегратор, два умножителя, выходную клемму, компаратор, два регулируемых датчика чисел, устройство деления, три сумматора, два функциональных преобразования, устройство извлечения квадратного корня, устройство извлечения целой части из числа, вычислительную часть для определения параметров вероятностного распределения генерируемых случайных чисел по значению номинально прилагаемой к элементу внешней нагрузки, моделируемой этим устройством 2. Однако такое устройство не предназначено и поэтому не содержит блоков для моделирования прочности элемента и тем более для моделирования возникновения отказов. Наиболее, близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для моделирования отказов, содержащее генератор тактовых импульсов, первый и второй генераторы случайных чисел, выходы которых соединены со входами блока сравнения, выход которого соединен со входом блока обработки результатов, и выходную клемму 3. Однако, если в этом устройстве генераторы вырабатывают независимые последовательности случайных чисел, то определяется лишь относительное число отказов, которое пропорционально, но не равно интенсивности отказов, которая чаще всего применяется при определении параметров безотказности системы через параметры безотказности составляющих элементов и которую поэтому важнее всего определить путем моделирования. Применение же коррелированных последовательностей с.аучайных чисел нередко наталкивается на трудность определения корреляционных свойств моделируемых нагрузки и прочности. Кроме того в этом устройстве не предусмотрено никаких средств для получения путем моделирования относительно интенсивности отказов, то есть интенсивности отказов по отношению к значению интенсивности отказов при некоторых опорных значениях температуры и нагрузки. Если бы относительную интенсивность можно было бы получить путем моделирования,, то экспериментальным путем остается определить лишь интенсивность отказов при опорных значениях температуры и нагрузки и объем натурных испытаний сильно сократился бы, предположительно на порядок величины или даже на нескольКО порядков со всеми вытекающими отсюда преимуществами, не предусмотрено также средств для изменения параметров распределения генерируемых случайных чисел в зависимости от изменения температуры элемента и его нагрузки. Цель изобретения - повышение точности моделирования. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с первыми входами первого И второго генераторов случайных чисел, выходы которых соединены со входами блока сравнения, выход которого соединен с первым входом статистического анализатора, введены первый и второй датчики чисел, первый и второй блоки задания параметров законов распределения вероятностей, блок памяти и блок деления, второй выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом статистического анализатора и со входами датчиков чисел, выходы которых соединены соответственно со входами блоков задания параметров законов распределения вероятностей, группы выходов которых соединены с группами входов датчиков случайных чисел соответственно, первый выход статистического анализатора соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом устройства, а второй вход блока деления соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен со вторым выходом статистического анализатора. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 и 3 - диаграммы работы устройства; на фиг. 4 - схема блока задания параметров закона распределения вероятностей. Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, первый генератор 2 случайных чисел, второй генератор 3 случайных чисел, блок 4 сравнения, статистический анализатор 5, выходную клемму 6, первый датчик 7 чисел, второй датчик 8 чисел, первый блок 3 и второй блок 10 задания параметров закона распределения вероятностей, блок 11 памяти и блок 12 деления. Первый выход генератора 1 тактовых им пульсов соединен с первыми входами первого генератора 2 и второго генератора 3 случайных чисел. Второй выход генератора 1 тактовых импульсов соединен со входами первого датчика 7 и второго датчика 8 чисел и со вторым входом статистического анализатора. Выход первого датчика 7 чисел соединен со входом блока 9. Выход с номером i блока 9 соединен со входом с номером i-f 1 первого генератора 2 случайных чисел (i 1,2,...,гп, где m - число выходов). Выход второго датчика 8 чисел соединен со входом блока 10. Выход с номером i блока 10 соединен со входом с номером i+1 второго генератора 3 случайных чисел (п - число выходов). Выходы первого генератора 2 и второго генератора 3 случайных чисел соединены со входами блока 4 сравнения, выход которого соединен с первым входом статистического анализатора 5, первый выход которого сое динен с первым входом блока 12 деления через.блок 11 памяти, а второй выход - со вторым входом непосредственно. Выход блока 12 соединен с выходной клеммой 6. На фиг. 2 и 3 изображены плотность 13 распределения прочности при опорной температуре TQ.,. плотность 14 распределения прочности при температуре Т, плотность 15 распределения нагрузки при опорном значении Ко нагрузки, плотность 16 распределения нагрузки при значении нагрузки К, семейство 17 кривых зависимости относительной интенсивности отказов от температуры и нагрузки, опорные значения 18 температуры и прочности, значения 19 температуры Т и нагрузки К. Устройство работает следующим образом. В первом датчике 7 чисел устанавливаются опорное значение То, температуры и то значение Т температуры, при котором нужно определить относительную интенсивность отказов. Во втором датчике 8 чисел устанавливаются опорное значение Ко нагрузки и то значение К, при котором определяется относительная интенсивность отказов. Генератор 1 тактовых импульсов управляет работой всего устройства. В частности, он запускает генератор 2, который вырабатывает случайные значения прочности, и генератор 3, который вырабатывает случайные значения нагрузки, а также осуществляет перевод устройства от моделирования отказов при опорных значениях температуры и нагрузки к моделированию откаЗОВ при заданных других их значениях. в блоке 9 вычисляются параметры распределения генерируемых в генераторе 2 случайных значений прочности, исходя из задаваемых датчиком 7 значений температуры, устанавливая моду распределения прочности пропорционально задаваемому значению температуры. В блоке 10 вь1числяются параметры распределения генерируемых в генераторе 3 случайных значений нагрузки, исходя из задаваемых датчиком 8 значений нагрузки, устанавливая моду распределения нагрузки равной задаваемому значению нагрузки. Первый цик/1 моделирования осуществляется при опорных значениях Тд и Ко температуры и нагрузки. На каждом такте работы устройства выработанные значения прочности и нагрузки сравниваются в блоке 4 сравнения. Если нагрузка превыщает прочность, то на выходе этого блока появляется импульс, который считается статистическим анализатором 5. По истечении определенного количества тактов, задаваемых генератором тактовых импульсов, в блоке 5 происходит деление числа импульсов с выхода блока 4 сравнения на количество тактовых импульсов с выхода генератора 1. Это число запоминается в блоке 11 запоминания. По истечении первого цикла генератор 1 тактовых импульсов переключает датчики 7 и 8 чисел с опорных значений температуры и нагрузки на те значения Т и К, при каторых определяется относительная интенсивность отказов. Второй цикл аналогичен первому за исключением того, что вычисленная в блоке 5 относительная доля отказов поступает теперь не в блок 11 запомина прямо в блок 12 деления. В последнем блоке относительная доля отказов, определенная в течение второго цикла, делится на относительную долю промоделированных отказов в течение первого цикла. Результат снимается с выходной клеммы 6. Структура блоков 9 и 10 определяется зависимостями между параметрами распределения генерируемых случайных чисел и модой распределения и технически осуществима на основе.использования таких простейщих блоков как сумматоры, умножители, блоки деления, квадраторы и т. д. На фиг. 4 изображены входная клемма 20, датчик 21 чисел, блок 22 деления, первый сумматор 23, квадратор 24, первый нкциональный преобразователь 25, блок 26 извлечения квадратного корня, второй сумматор 27, второй функциональный преобразователь 28, умножитель 29, третий сумматор 30, блок 31 выделения целой части из числа, первая выходная клемма 32 блока и вторая выходная клемма 33 блока. Структура блока определяется зависимостью числа возводимых в квадрат и суммируемых нормализованных нормальных случайных чисел, необходимых для получения случайных чисел с гамма-распределением (это число вырабатывается на выходной клемме 32) и масщтабногс множителя (его значение вырабатывается на выходной клемме 33) от значения моды распределения (это поступает на входную клемму 20). Блок работает следующим образом. На выходе датчика 21 устанавливают значение равное дисперсии моделируемой нагрузки или прочности. В блоке 22 деления значение моды делится на удвоенное значение дисперсии, а полученное частное возводится в квадрат в квадраторе 24. В первом функциональном преобразователе 25 образуется обратная дисперсии величина, которая в первом сумматоре 23 слагается с квадратом частного с выхода квадратора 24. Из суммы чисел в устройстве 26 берут положительный квадратный корень, который поступает на второй сумматор 27, где он слагается с частным с выхода блока 22-деления. Во втором функциональном преобразователе 28 образуется обратная второй сумме величина, уменьшенная в два раза. Полученное таким образом число на выходе второго функционального преобразователя 28 и является масштабным множителем и поступает на выходную клемму 33 блока. Число с выхода второго сумматора 27 поступает на один из входов умножителя 29, где оно умножается на удвоенное значение моды. В третьем сумматоре 30 к полученному числу добавляется число 2,5. Поскольку число слагаемых в любой сумме по смыслу величина целочисленная, а при произвольных значениях моды и дисперсии число на выходе третьего сумматора 30 - деиствительное, то число с выхода третьего сумматора 30 поступает на блок 31, где из указанного, как правило, нецелочисленного числа извлекается его целая часть. Чтобы не было ошибки округления только в одну сторону, в третьем сумматоре 30 к числу, поступаюшему на его вход, добавляют число 2,5 а не 2, как следовало бы согласно теории. Целое положительное число с выхода блока 31 извлечения поступает на выходную клемму. 32 блока. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет моделировать воздействие нагрузки и температуры на возникновение отказов, заменить значительную часть натурных испытаний на безотказность элементов технических систем исследованием их моделей и сочетать натурные испытания и исследование моделей, чем достигается экономия материальных средств и времени, а также оперативность и гибкость в опытноконструкторских разработках, при научных исследованиях, при проверке соответствия элементов техническим требованиям на них и т. д. Сокращение объема натурных испытаний элементов на безотказность оценивается следуюшим образом. Для обоснованного применения элементов в разрабаты емой системе разработчик этой системы должен иметь информацию в виде семейства кривых зависимости интенсивности отказов от температуры и нагрузки, аналогичного семейству кривых относительных интенсивностей отказов (фиг. 3j. Для экспериментального определения этого семейства кривых нужно проводить испытания при 3-5 значениях температуры и 4-6 значениях нагрузки, т. е. в 12-30 различных режимах. Сочетая натурные испытания и моделирование с использованием предлагаемого устройства нужно проводить натурные испытания лишь при одном опорном, режиме, определяя интенсивность отказов при любых других режимах простым умножением опорного значения интенсивности отказов на относительную интенсивность отказов в этих режимах, найденную моделированием. Следовательно, сокращение объема натурных испытаний составляет 12- 30 раз. Таким образом, устройство для моделирования отказов обладает новыми и более широкими функциональными возможностями и позволяет решать важные технические и производственные задачи. Формула изобретения Устройство для моделирования отказов, содержащее генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с первыми входами первого и второго генераторов случайных чисел, выходы которых соединены СО входами блока сравнения, выход которого соединен с первым входом статистического анализатора отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства, оно содержит первый и второй датчики чисел, первый и второй блоки задания параметров законов распределения вероятностей, блок памяти и блок деления, второй выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым входом статистического анализатора и со входами датчиков чисел, выходы которых соединены соответственно со входами блоков задания параметров законов распределения вероятностей, группы выходов которых соединены с группами входов датчиков случайных чисел соответственно, первьш выход статистического анализатора соединен с первым входом блока деления, выход которого является выходом устройства, а второй вход блока деления соединен с выходом блока памяти, вход которого соединен со вторым выходом статистического анал1 затора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Shooman М. L. Reliability Dhusics Models, УЕЕЕ, Transactions on ReliabilitY, Vol. R-17, № 1, March, 1968, 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2452012/18-24, кл. G 06 F 15/20 1977. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2423572/18-24, кл. G 06 F 15/20, 1976 (прототип).
/
//Z.f
До
f8
ОГо Г
17
Фиг.З
