background image

PROBLEM NIEPEWNOŚCI W DZIAŁALNOŚCI 
INŻYNIERSKIEJ 

 

 Niedoskonałość człowieka  
• Ograniczona wiedza 

 

Niepewność wyników rozumowania, obliczeń inżynierskich, 
trafności decyzji  

         

Np. niepewność dotycząca naprężeń σ i naprężeń krytycznych 

σ

kr 

              

 

σ ≤ σ

dop 

           

     

 gdzie 

σ

dop

= σ

kr

 /n

wym  

                           

 

                      σ

kr  

            R

e

 , R

m

 , Z, …

 

  

  

Świadome pomijanie mniej istotnych 
czynników, np. uproszczenia w 
modelach obliczeniowych 

Nierozpoznanie niektórych czynników,  
w szczególności - ważnych 

background image

Niepewność dotycząca obliczeń, zwłaszcza wytrzymałościowych, 
jest szczególnie istotna . Może być przyczyną uszkodzeń, awarii i 
katastrof          strat. 
 
Zajście  niesprawności, gdy  
      T ≤ t

wym

  

Im większa niepewność, tym może być większe prawdopodobieństwo 
Q(t

wym

) zajścia niesprawności 

 
       Q(t

wym

) = P(

T ≤ t

wym

        

t

wym

 

niesprawność, np. uszkodzenie 

background image

 

τ 

t

 

ET 

 Q(t) = P{T   

 R(t) = P{T > 

R(t) = PT > t}  -  

funkcja niezawodności 

Q(t) = PT ≤ t}  -  funkcja zawodności 

 

background image

 

τ 

t

 

ET 

 Q(t) = P{T   

 R(t) = P{T > 

R(t) = PT > t}  -  

funkcja niezawodności 

Q(t) = PT ≤ t}  -  funkcja zawodności 

 

background image

 

τ 

t

 

ET 

 Q(t) = P{T   

 R(t) = P{T > 

R(t) = PT > t}  -  

funkcja niezawodności 

Q(t) = PT ≤ t}  -  funkcja zawodności 

 

background image

 

τ 

t

 

ET 

 Q(t) = P{T   

 R(t) = P{T > 

R(t) = PT > t}  -  

funkcja niezawodności 

Q(t) = PT ≤ t}  -  funkcja zawodności 

 

Powód :            nierozpoznanie istotnego czynnika (np. zjawiska 
zmęczenia wywołanego nieprzewidzianymi drganiami)               

background image

Zmniejszanie niepewności 
w procesie projektowania 

• stosowanie w obliczeniach współczynników 
   bezpieczeństwa 

 
• wykorzystywanie do obliczeń dokładniejszych modeli,  
   w tym modeli probabilistycznych, np. naprężeń 
   i naprężeń krytycznych 
 

• przeprowadzanie badań prototypu i serii informacyjnej 

background image

Obliczenia probabilistyczne 
 

Probabilistyczna forma warunków ograniczających 

σ

sup

 ≤ R

e

  

   
 σ

max

 ≤ Z 

 

 

 X(t) ≤ X

kr

  

  

  

 y ≤ y

kr

  

 
  
  

. .

 

P{ …} ≡ R(t)   -  funkcja niezawodności 
 
   Np.  R = P{σ

sup

 ≤ R

e

 }  

  
 

σ

sup

 , σ

max

 , R

e

 , 

Z, … 
 
zmienne losowe 
  

background image

Probabilistyczny opis naprężeń 

σ

sup

 

σ

max,i

 

σ

m,i

 

σ

min,i

 

σ 

Do probabilistycznych obliczeń na wytrzymałość doraźną 
        rozkład prawdopodobieństwa σ

sup

 w postaci na przykład   

gęstości prawdopodobieństwa (σ

sup

 

 
Do probabilistycznych obliczeń na wytrzymałość zmęczeniową 
        rozkłady prawdopodobieństwa σ

max 

 σ

m

 

background image

Duże rozrzuty cech, właściwości         także właściwości         
obiektów technicznych                              mechanicznych 

R

e

 , R

, Z , H , h , t

rw

 , …,wymiary 

Probabilistyczny opis właściwości mechanicznych 

P{R

e

 > R

e min

 } ≈ 0,98- 0,99  

10 

 f 

R

e

 

ER

e

 

R

e

 

P{R

e

  

≤   R

emin

R

emin 

≤ 

Np. 

probabilistyczny opis wytrzymałości doraźnej 

background image

Uwzględnianie losowości w obliczeniach  
inżynierskich 

•  

operowanie opisami probabilistycznymi naprężeń (lub obciążeń) 

     oraz cech i właściwości (np.mechanicznych)  

 

P{war. ograniczający} ≡ R(t) 
      R(t) = 
1- Q(t) 

11 

R = P{σ

sup

 ≤ R

e

 }, 

gdzie

 σ ≡ σ

sup         

       

                                       σ

kr

 ≡ R

e

  

albo 

R = P{σ

max k

 ≤ }  

Np. 

background image

12 

Gdy probabilistyczny opis σ i σ

kr

 

Prawdopodobieństwo uszkodzenia  
       Q = P{σ – σ

kr

 0} 

        
    Q = f(n) 

background image

13 

background image

14 

β = 0   β

kr

 = 0,05 

y

kr

 =  2,0    

Q 

f

 

R

e

 

σ

 

σ -zdeterminowane 

 (β = 0) 

 

background image

15 

a 

α 

F 

 
 
 
 

Wspornik przedstawiony na rysunku jest zespawany z ceownik

ów.    

•   Zdefiniuj współczynnik bezpieczeństwa ze względu na doraźne rozciąganie  
     pręta a. 
•   Wyznacz siłę rozciągającą ten pręt, a następnie oblicz wartość współczynnika 
     bezpieczeństwa, gdy α = 30

°  i gdy α = 35°. 

•    Opierając się na wykresie Q = f(n), oszacuj dla obu przypadków wartości 
      prawdopodobieństwa uszkodzenia pręta. 
                                                                                                       
                                                   Dane: = 140kNR

e

 = 185MPa,  

 

                

          pole przekroju pręta a       A = 7,1cm

2

 

 

                                                                                                             

Zadanie 

 

Odp.: = 1,62             Q ≈ 10

-11

  

          n = 1,34              Q ≈ 10

-8

 !!  

background image

16 

Na wykresie jest przedstawiona gęstość 
prawdopodobieństwa granicy plastyczności R

e

 

materiału, z którego wykonano pręt obciążony 
siłą wzdłużną wywołującą w nim naprężenia σ. 
Posługując się wykresem, należy określić, jaki 
wpływ na prawdopodobieństwo uszkodzenia 
pręta mogłoby mieć zmniejszenie wartości 
wsp

ółczynnika bezpieczeństwa w stosunku do 

wartości wynikającej z wykresu

     f 

R

e

 

ER

e

  

R

emin

 

σ 

Zadanie 

Rozwiązanie 

Uszkodzenie, gdy  σ > R

e

   

                                      σ – wielkość zdeterminowana (określona 
                                             wartość) 
                                       R

e

 – zmienna losowa o gęstości 

Prawdopodobieństwo uszkodzenia   Q = P{σ > R

e

   

background image

17 

     f 

R

e

 

ER

e

  

     R

emin

 

σ 

σ

1

 

background image

18 

     f 

R

e

 

ER

e

  

     R

emin

 

σ 

σ

1

 

Prawdopodobieństwo 
uszkodzenia  
P{ R

e

 < σ 

       Q

1

 = P{R

e

 < σ

} 

   

Q

1

 

background image

19 

•  Zdefiniuj współczynnik bezpieczeństwa ze względu 
    na doraźne zginanie pręta. 
•  Uzależnij ten współczynnik, określany dla przekroju  
    K, od wielkości podanych w temacie. 
•  Przedstaw w postaci poglądowej wykres gęstości  
    prawdopodobieństwa granicy plastyczności wspom-

nianej stali konstrukcyjnej. Zaznacz na nim położenie 
granicy plastyczności stosowanej w obliczeniach 
deterministycznych, a także – prawdopodobieństwo 
uszkodzenia wspornika w przypadku, gdy 
współczynnik bezpieczeństwa n > 1 i w przypadku, 
gdy n = 1. 

    Belka wspornikowa wystająca z konstrukcji jest pełnym prętem o przekroju 
kwadratowym wykonanym ze stali konstrukcyjnej o granicy plastyczności 

R

.  

Zadanie 

a 

F 

K 

l 

background image

Uwzględnianie losowości w obliczeniach  
inżynierskich 

•  

operowanie opisami probabilistycznymi naprężeń (lub obciążeń) 

     oraz cech i właściwości (np.mechanicznych) – obliczenia  
     probabilistyczne
 

• stosowanie w obliczeniach deterministycznych współczynników 
   uwzględniających rozrzuty losowe właściwości materiału    lub 
   elementu (wymagany poziom „niezawodności”), np.      
     - c

r

  w obliczeniach zmęczeniowych 

     - a

R

  w obliczeniach łożysk tocznych 

  oraz kwantyli wytrzymałości materiału określanych dla 
     - r = 0,99  w obliczeniach zmęczeniowych kół zębatych 
     - r ≈ 0,98           (R

e

 R

m

 ) w obliczeniach ze względu na  

                                       wytrzymałość doraźną 
      

20 

Częściej 

background image

21 

Z∙c

r

 

Probabilistyczny opis wytrzymałości zmęczeniowej 

Podawana i stosowana w obliczeniach deterministycznych granica 
zmęczenia = E.  
       P{Z} = 0,50 , a współcz. „niezawodności” c

r

 = 1. 

 

  r     

 0,5000  0,9000  0,9900   0,9990   0,9999 

 c

r

      

1,000     0,897    0,814    0,753     0,702 

background image

22 

Inna ilustracja graficzna rozrzutów losowych granicy zmęczenia Z 

Zmniejszenie naprężeń σ

maxk

 z 305 MPa do 275 MPa powoduje 

wzrost prawdopodobieństwa przeżycia N

gr

  

 
      P{N > N

gr

} = P

maxk

 < Z} = 1-

z wartości 0,10 do 0,90. 

Jedna ze stali 
węglowych do 
ulepszania cieplnego 

Z = 

Z = 

F = P{Z < Z} – dystrybuanta zmiennej losowej Z 

background image

23 

a 

α 

F 

Wspornik przedstawiony na rysunku jest zespawany z ceownik

ów wykononych ze 

stali niskowęglowej  C22R.  Siła  obciążająca  wspornik zmienia się w czasie w 
zakresie wartości od 0 do 140 MPa. W okresie przewidywanej jego trwałości 
liczba obciążeń jest duża, mianowicie N ≈ 8∙10

5

 . 

•   Zdefiniuj współczynnik bezpieczeństwa ze względu na zmęczenie pręta a. 
•   Oblicz wartość współczynnika bezpieczeństwa ze względu na zmęczenie w  
     przekroju tego pręta oddalonego od zamocowań, gdy α = 30

°  i gdy α = 35°. 

                                                                                                       
                                            Pozostałe dane: R

e

 = 390 MPa,  R

m

 = 470 MPa, pole   

                                                                      przekroju pręta a       A = 7,1cm

2

.                                                         

 

                

           

 

 

                                                                                                             

Zadanie

 

background image

24 

• Naprężenia w pręcie – rozciągające, odzerowo tętniące. 

 
 
 

 

 

Zatem współcz. bezpiecz. 
 
                
 
gdzie  
 

σ 

t 

… 

σ

max

 

= σ

max

 

Z

rj

 ≈ 0,60

R

m

   , R

m

 – na poziomie prawdopodobieństwa ~ 0,98, 

zatem  także c

r

 na poziomie r = 0,98, czyli 

c

r

 ≈ 0,820 . 

 

 

Wykres Smitha 
(Haigha, Goodmana) 
- zbędny  

Rozwiązanie

 

background image

25 

L 

l 

A 

F 

ω 

D 

d 

 
     Zdefiniuj matematycznie, a następnie wyznacz współczynnik 
bezpieczeństwa n ze względu na zginanie doraźne i ze względu na 
zginanie zmęczeniowe w przekroju  wałka pośredniego przekładni 
zębatej, pokazanego na rysunku. Znane są między innymi wartości 
wielkości: siły F, odległości L, średnic  d, a także – R

m

 R

e

 Z

go

 

Z

gj

  materiału wałka.  

Zadanie 

background image

26 

Probabilistyczny opis trwałości łożyska tocznego 

gęstość  prawdopodobieństwa zmiennej losowej L 

funkcja niezawodności łożyska 

background image

27 

Probabilistyczny opis trwałości łożyska tocznego 

R(L) = P{ ≥ L} 

rozkład  Weibulla zm. L 

a = 10/9  dla łoż. kulk.;          
 a = 9/8  dla łoż.wałeczk.   

F(L) = 1- R(L) 

gęstość  prawdopodobieństwa zmiennej losowej L 

funkcja niezawodności łożyska 

background image

R(L) 
1,00                                                                             
0,90                                                                 L

 68  

≈ 10 L

 10 

 
 

 

0,32 
 
 
 
                     L

10

                                               L

68  

                             L[mln obr.] 

 

R(L) 

1,00 
0,90 

0,32 

28 

Trwałość  umowna ( katalogowa) 

α = 3   dla łoż. kulk.;          
α = 10/3    dla łoż. wałeczk. 

C – nośność dynamiczna (ruchowa) 
P – obciążenie zastępcze 
 

background image

 

L

10 

L

10 

R(L) 

0,90 

1,00 

0,60 

L

wym 

29 

a

w

 = 0,1 – 50     współczynnik warunków pracy (temperatura, lepkość i 

czystość smaru, obciążenie itd.)  

background image

 

L

10 

L

10 

R(L) 

0,90 

1,00 

0,60 

L

wym 

30 

a

w

 = 0,1 – 50     współczynnik warunków pracy (temperatura, lepkość i 

czystość smaru, obciążenie itd.)  

background image

 

L

10 

L

10 

R(L) 

0,90 

1,00 

0,60 

L

wym 

R(L

wym

R(L

wym 

) ≥ R

wym 

,      - warunek doboru wielkości łożyska (C,…) 

  
gdzie  R

wym 

= ….    (np.  R

wym 

0,98 ) 

31 

a

w

 = 0,1 – 50     współczynnik warunków pracy (temperatura, lepkość i 

czystość smaru, obciążenie itd.)  

background image

 

L

10 

R(L) 

1,00 

0,70 

L(R

wym  

)

 

R

wym

 

L

wym   

32 

Deterministyczny opis trwałości łożyska tocznego 
uwzględniający jej rozrzut losowy   (wg FAG, SKF )  

Jeśli  R(L),to             L(R

L(R

wym

 ) ≥  L

wym 

    gdzie    L(R

wym 

) = 

a

R

L

10 

R(L

wym 

) ≥ R

wym  

background image

 

R(L) 

R

 

L(R

0,90 

L

10

 

1,00 

a

R

 = L(R) ∕ L

10 

 
 

33 

Funkcja „niezawodności” R     0,90  0,95  0,96  0,97  0,98  0,99 
Współczynnik  a

                               

1       0,62  0,53  0,44  0,33  0,21 

background image

34 

Zadanie 

Do podparcia wałka przekładni zębatej (p. rysunek) użyto dwóch jednakowych łożysk 
poprzecznych kulkowych zwykłych 6208 o nośnościach ruchowych każdego z nich 
C = 32,5 kN. W strefie zazębienia występuje obciążenie poprzeczne o dwóch składowych, 
związanych relacją F

r

 = 0,364 F

w

 , przy czym F

w

 = 8 kN.

  

 Przewidywana trwałość 

pojedynczego łożyska L

wym

 = 120 mln obr., a wymagana wartość funkcji jego niezawodności  

w tym okresie powinna być nie mniejsza niż R

wym

 = 0,98. Sprawdzić prawidłowość doboru 

łożysk do tych warunków. 
Pozostałe dane:  d

1

 = 80 mm,  l = 30 mm,  L = 60 mm, oraz niektóre informacje potrzebne do 

doboru  z katalogu wartości współczynnika warunków pracy łożyska – P

u

 = 0,80 kN,  

n = 1000 obr/min, t = 30

o

 C, olej niefiltrowany o lepk. kinemat.  ν

z

 = 10 mm

2

/s (w 40

o

 C), 

  
  
 

d = 40 mm, 
D = 80 mm.  

background image

35 

Rozwiązanie

 

Sprawdzenie przy użyciu warunku 

                             

L(R

wym

 ) ≥  L

wym  

 

gdzie    L(R

wym

 ) = a

R

 L

10

 ,     L

10

 = a

w

   

 
 
 
 
 
 
  
 
 

P = XP

p

 + YP

P = P

 

P

p

 = F 

 

P

p

 

background image

36 

Rozwiązanie

 

Sprawdzenie przy użyciu warunku 

                             

L(R

wym

 ) ≥  L

wym  

 

gdzie    L(R

wym

 ) = a

R

 L

10

 ,     L

10

 = a

w

   

 
 
 
 
 
 
  
 
Warunki pracy niedobre: lepkość oleju zbyt mała w stosunku do zalecanej 
(SKF), łożyska niechronione przed zanieczyszczeniami itd.           na 
podstawie wykresów w SKF 
a

w

 ≈ 0,55 ! 

 
 

P = XP

p

 + YP

P = P

 

P

p

 = F 

 

P

p

 

background image

37 

Rozwiązanie

 

Sprawdzenie przy użyciu warunku 

                             

L(R

wym

 ) ≥  L

wym  

 

gdzie    L(R

wym

 ) = a

R

 L

10

 ,     L

10

 = a

w

   

 
 
 
 
 
 
  
 
Warunki pracy niedobre: lepkość oleju zbyt mała w stosunku do zalecanej 
(SKF), łożyska niechronione przed zanieczyszczeniami itd.           na 
podstawie wykresów w SKF 
a

w

 ≈ 0,55 ! 

 
Zmiana łożyska na uszczelnione (wewnętrznie) 6208-RS1          a

w

 ≈ 12. 

 

P = XP

p

 + YP

P = P

 

P

p

 = F 

 

P

p

 

background image

Zadanie 

Narysować wykres funkcji niezawodności łożyska bardziej obciążonego 
z dwóch łożysk, o których mowa w poprzednim zadaniu i funkcjonujących 
w opisanych warunkach. Jakie są dwa dominujące zjawiska fizyczne 
prowadzące do uszkodzeń łożysk tocznych? 

 

38 

background image

Zadanie 

Łożysko wałeczkowe walcowe, podpierające czop końcowy 
wałka ma nośność ruchową równą C. Siła zastępcza P
obciążająca to łożysko, jest równa jego nośności ruchowej. 
Należy porównać prawdopodobieństwa nieuszkodzenia tego 
łożyska w okresie L

wym

 = 10

6

 obrotów dla dwóch następujących 

przypadków: 
•   przedstawionego powyżej, 
•   gdy siła zastępcza jest równa 80% nośności ruchowej. 
W obu przypadkach łożysko i warunki jego pracy są zbliżone  
(współczynnik a

w

 warunków pracy jest w przybliżeniu taki sam). 

 
Wyniki zilustrować na wykresach funkcji niezawodności łożyska. 
  
 

39 

background image

40 

 

 

                                                                                                                                                                                                               

 

F 

L 

l 

A 

B 

 

Wałek pośredni przekładni zębatej podparty jest dwoma jednakowymi łożyskami 
kulkowymi poprzecznymi o nośności dynamicznej każdego z nich C = 5,85 kN. 
Wałek jest obciążony siłą poprzeczną F = 4 kN wynikającą z oddziaływania 
zamocowanego na nim koła zębatego. Koło może być usytuowane w stosunku do 
wałka w dwóch wariantach: 
         1.  = 0,25 L, 
         2.  l = 0,50 L. 
W obu wariantach warunki pracy przyjąć jako zbliżone (a

w

 ≈ 5)  . Należy: 

   - dla obu tych wariant

ów narysować w jednym układzie współrzędnych           

wykresy funkcji niezawodności zespołu łożysk podpierających wałek (przez co 
najmniej trzy punkty), 
   - wskazać wariant lepszy ze względu na niezawodność podparcia wałka. 
                             

Zadanie