基于故障树的温度测量系统失效模式有限元分析

　　为了有效约束爆炸能量, 并对有毒、有害气体进行可靠密封, 需采用密闭复合结构爆室进行实验。在某次实验中, 设计加工了一圆柱形爆炸容器。因实验装置的爆炸当量为 190kgTNT, 为保证实验的绝对安全, 将整个容器放置于地下预定深度, 并在其外围整体浇注混凝土。根据实验要求, 爆后需监测密闭爆室内部的温度状态, 故安装了一套温度测量系统。零前该系统工作正常, 实验后 10 秒开机, 结果整个测量系统断路, 检测认为该系统已经失效。因为该爆室爆后不能开启, 所以无法直观地查明系统的失效模式。考虑到将来类似实验任务的需求,有必要查明该测量系统的失效模式,为改进或优化结构设计提供理论依据。

　　1 温度测量系统介绍

　　该系统由温度传感器、信号调理放大变换电路、测量主机等组成, 其中温度传感器放置在爆室内, 信号调理放大变换电路和测量主机放置在爆室外的地面。因这次实验属大威力爆炸实验, 为防止传感器和引线在强冲击波作用下被破坏, 将三组pt- 100 型温度传感器分别安装在三个保护钢筒内,其信号引线通过保护钢管引至钢容器壁上的电缆转接盘, 从传感器至转接盘的距离为 1.5m。保护筒和保护管安装在防护层和钢容器内壁之间( 如图 1、2 所示)。信号引线最终通过钢容器外侧的电缆管道输出至地面的信号调理变换电路。

　　2 故障树的建立及简化

　　2.1 故障树分析方法

　　故障树分析法(FTA 法) 主要以系统失效的顶事件为分析目标, 首先寻找引起顶事件发生的所有直接原因, 并在这些原因之间建立逻辑关系, 然后依次逐层向下推溯, 直到不需要进一步分析为止。这样可找出系统中的各种因素(底事件)和顶事件所代表的系统失效间的逻辑关系。故障树的分析通常包括定性分析和定量分析。通过定性、定量分析不仅可以得到顶事件发生的概率, 而且可以找出系统的薄弱环节, 为优化系统设计、预防设备故障提供理论支持。

　　2.2 温度测量系统故障树的建立

　　以温度测量系统失效为研究对象, 选定“测量主机无信号”作为最不希望发生的顶事件来建立故障树。边界条件为: (1) 顶事件: 测量主机无信号;(2) 初始状态: 整个测试系统零前工作正常, 系统的软件功能正常, 硬件状态良好, 测试数据真实有效;(3)不容许事件: 由于外来因素( 不包括人为因素) 对系统影响引起的故障。以顶事件为“树根”, 按照各种可能失效模式自上而下依次分解, 最后所建的温度测量系统失效树如图 3 所示。

　　2.3故障树的初步分析

　　根据故障树中各事件的逻辑关系, 求出其全部最小割集。通过研究最小割集可以发现系统的最薄弱环节, 为集中力量解决这些薄弱环节奠定基础。由上图 3 中故障树的结构可得到其布尔表达式: