Расчет вероятности катастрофы и надежности системы энергоснабжения самолета

Департамент по авиации Министерства транспорта и коммуникации Республики Беларусь Минский государственный высший авиационный колледж Кафедра ЕНД Контрольная работа по дисциплине: Теория вероятностей и математическая статистика Специальность: «Техническая эксплуатация авиационного оборудования (приборное и электросветотехническое оборудование)»

студента группы ЗПВ107

Рыжко Дмитрия Александровича

Минск-2012 г.

1. Сравнительный анализ вероятностей катастрофы летательного аппарата

1.1 Постановка задачи задания 1

1.2 Решение. Математическая часть

1.3 Расчетная часть

2. Определение надежности элементов системы энергоснабжения самолета

2.1 Постановка задачи задания 2

2.2 Решение. Математическая часть

2.3 Расчетная часть

вероятность катастрофа отказ система надежность Задание 1. Сравнительный анализ вероятностей катастрофы летательного аппарата

1.1 Задача

Летательный аппарат (ЛА) состоит из:

m двигателей с вероятностью отказа P1, P2, …, Pm ;

n дублирующих систем энергоснабжения с вероятностью отказа

P1э, P2э, …,;

N вспомогательных подсистем с вероятностью отказа PС

каждая.

Катастрофа наступает, если выходят из строя:

любые (r+1) и более двигателей;

все системы энергоснабжения;

хотя бы одна из N вспомогательных подсистем.

В случае отказа любого r из m двигателей катастрофа наступает с вероятностью PD .

Определить вероятность катастрофы ЛА и сравнить ее с вероятностью катастрофы ЛА без дублирующих систем (один двигатель с вероятностью катастрофы P1, одна система энергоснабжения с вероятностью отказа P1э и N вспомогательных подсистем с вероятностью отказа PС каждая), предполагая, что все упомянутые выше системы и подсистемы ЛА функционируют независимо друг от друга.

В обоих случаях сравнить вероятности катастроф, связанных с отказом:

двигателей;

систем энергоснабжения;

вспомогательных подсистем.

Дано

Решение:

Математическая часть Введем обозначения событий:

D1, D2, D3, D4 — отказ 1-го, 2-го, 3-го и 4-го двигателей соответственно;

B1, B2, B3 — отказ 1-й, 2-й и 3-й системы энергоснабжения соответственно;

Ci — отказ i-й вспомогательной подсистемы, i = ;

ЕК — катастрофа;

ЕKD, ЕKЭ, ЕKC — катастрофы, связанные с отказом двигателей, систем энергоснабжения и вспомогательных подсистем соответственно.

Вероятность катастрофы ЛА с дублирующими системами В этом случае

. (1.1)

Перейдем к противоположным событиям и будем иметь:

. (1.2)

Вследствие соотношения двойственности из равенства (1.2) получим:

. (1.3)

Тогда вероятность катастрофы будет определяться по формуле:

. (1.4)

Вследствие независимости событий из равенства (1.4) получим:

Рассмотрим структуру событий ЕKD, ЕKЭ, ЕKC и найдем их вероятности катастроф, связанных с отказом:

двигателей ЕKD;

систем энергоснабжения ЕKЭ;

вспомогательных подсистем ЕKC .

Рассмотрим структуру событий ЕKD и найдем P (ЕKD) = PKD .

Так как событие ЕKD — это событие, состоящее в том, что катастрофа произошла из-за отказа двигателей, а по условию задачи катастрофа, связанная с отказом двигателей, наступает, если выходят из строя любые (r + 1) и более двигателей из m двигателей, а в случае отказа любого r из m двигателей катастрофа наступает с вероятностью PD .

Значит,

.

Так как в нашем случае число двигателей m = 4, а r = 3; то

r + 1 = 3 + 1 = 4.

Следовательно,

где ЕKD3 — событие, состоящее в том, что катастрофа произошла из-за отказа любого r = 3 из m = 4 двигателей;

ЕKD?4 — событие, состоящее в том, что катастрофа произошла в

связи с выходом из строя любых (r+1) = 4 и более двигателей, а в нашем случае ЕKD?4 = ЕKD4 — это событие, состоящее в том, что катастрофа произошла из-за отказа всех четырех двигателей. Из этого следует, что

. (1.6)

В свою очередь, катастрофа, связанная с отказом r = 3 двигателей (при работающих остальных), не обязательно влечет за собой катастрофу (а с вероятностью PD), значит,

(1.7)

тогда

.

Так как события ЕKD3 и ЕKD? 4 несовместны, то, а для нашего случая, учитывая выражение (1.6), получим:

С другой стороны, катастрофа, связанная с отказом r = 3 двигателей (при работающих остальных) из четырех имеющихся у ЛА по условию задачи, есть следующее событие:

(1.8)

то есть работает только 4-й, либо 3-й, либо 2-й, либо 1-й двигатель из четырех имеющихся у ЛА.

Доказать, что события EKD3 и ЕKD? 4 несовместны, можно следующим образом:

Согласно равенствам (1.7) и (1.6) имеем:

в соответствии с выражением (1.8) находим далее:

Используя тот факт, что и, получим:

Но если произведение двух событий равно невозможному событию (пустому множеству), то такие события являются несовместными.

______________________

Примечание — и — прерванное и продолженное преобразование текущего выражения.

По определению условной вероятности имеем:

а вследствие независимости событий далее находим:

Используя равенство (1.7) и несовместимость его слагаемых, получим:

Вследствие независимости всех событий и так как, будем далее иметь:

Так как P (Di) = Pi, i = 1,4 и P (EK / ED3) = PD, то

Если выполняется условие

(1.9)

для всех и учитывая, что значение вероятности случайного события меньше единицы, то

а также значит, что

.

Тогда имеем

(1.1(1.10)

Подставив значения, данные из условия задания, получим:

(1.11)

Рассмотрим структуру событий ЕКЭ и найдем Р (ЕКЭ) = РКЭ .

ЕКЭ? В1 · В2 · В3 — катастрофа, связанная с отказом всех трех систем энергоснабжения (n = 3 по условию задачи).

Так как все события В1, независимы, имеем:

1.12)

Подставив значения, данные из условия задания, получим

Рассмотрим структуру событий ЕКС и найдем Р (ЕКС) = РКС. Событие ЕКС наступает, если отказывает хотя бы одна из вспомогательных подсистем. Значит, По закону двойственности Так как события независимы, получим:

Поскольку, получим:

Тогда

Если выполняется условие:

то

(1.14)

Подставив значения, данные из условия задания, получим:

(1.15)

Расчетная часть Переходим к числовым расчетам. Вычислим вероятность катастрофы по выведенной нами формуле (1.5). Так как в нашем случае выполняется условие (1.9), то Если выполняется условие и и, то будем далее иметь Видно, что PKD? PKЭ? PKC, так как ??.

Из этого следует, что вероятность катастрофы, связанной с отказом вспомогательных подсистем, является определяющей.

1.2 Вероятность катастрофы ЛА без дублирующих систем Вероятность катастрофы ЛА без дублирующих систем (один двигатель с вероятностью катастрофы, одна система энергоснабжения с вероятностью отказа и N вспомогательных подсистем с вероятностью отказа каждая) с учетом, что все упомянутые выше системы и подсистемы ЛА функционируют независимо друг от друга, будет определяться по формуле:

(1.16)

где — вероятность катастрофы ЛА без дублирующих систем;

— вероятность катастрофы, связанной с отказом двигателя, системы энергоснабжения соответственно в случае без дублирующих систем.

Исходя из исходных данных будем иметь:

P’KD = P1 = 5•10−4; P’KЭ = P'1Э = 2•10−4,

а как уже подсчитано ранее, PKC =, то, подставив эти значения в формулу (1.16), получим:

P'(EK)=P'KD+P'KЭ+PKC=P1+P1Э+NPc=5•10−4+2•10−4+8 •10−6=

10−4(5+2+8•10−2)=7,08•10−4

Так как

?,

то из этого следует, что вероятность катастрофы, связанной с отказом двигателя и систем энергоснабжения, является определяющей.

И, наконец, сравним вероятности и :

P'(EK)/P (EK)= 7,08•10−4/8.16•10−6=88(раз) Вывод Наиболее вероятной является катастрофа, связанная с отказом одной из вспомогательных подсистем, а отсутствие дублирующих систем увеличивает вероятность катастрофы в 88 раз, при этом определяющим фактором становится отказ двигателя или системы энергоснабжения.

2. Определение надежности элементов системы энергоснабжения самолета

2.1 Задача Испытываются m элементов системы энергоснабжения самолета, которые работают независимо один от другого. Длительность времени безотказной работы элементов распределена по показательному закону с функциями распределения для каждого из m элементов.

Определить вероятность того, что в интервале (0;) часов откажут:

только один элемент;

только два элемента;

все m элементов;

ни один из m элементов не откажет.

2.2 Типовой пример решения задачи

Дано:

Решение Математическая часть Введем обозначения:

— события, состоящие в том, что отказал только один элемент, только два, все три элемента, ни один элемент не отказал;

— вероятности отказа 1-го, 2-го, 3-го элемента в заданном интервале (0; 5) соответственно.

Тогда

— вероятности безотказной работы 1-го, 2-го, 3-го элемента в заданном интервале (0; 5) соответственно.

Так как время безотказной работы элемента определяется его функцией надежности, которая равна вероятность безотказной работы i-го элемента будет

Таким образом, вероятность безотказной работы 1-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

q1=e-0,37•5=e-1,85=0,1572

Вероятность отказа 1-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

p1=1-q1=1−0,1572=0,8428

_________________________

Примечание — Значения функции у = е-х взяты из приложения Б.

Вероятность безотказной работы 2-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

q2=e-0,47•5=0,9 537

Вероятность отказа 2-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

P2=1-q2=1−0,9 537=0,90 463

Вероятность безотказной работы 3-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

q3=e-0,17•5=e-0,85=0,4274

Вероятность отказа 3-го элемента в заданном интервале (0; 5) будет

P3=1-q3=1−0,4274= 0,5726

Расчетная часть Переходим к расчету искомых вероятностей, которые находятся следующим образом:

Вероятность отказа только одного элемента в заданном интервале (0; 5) будет

P (A1)=p1 • q2 • q3 + p2 • q1 • q3 + p3 • q1 • q2 = 0,8428 • 0,9 537 • 0,4274 + 0,90 463 • 0,1572 • 0,4274 + 0,5726 • 0,1572 • 0,9 537 = 0,103 717

вероятность отказа только двух элементов в заданном интервале (0; 5) будет

P (A2)= p1p2 q3 +p1p3q2 +p2p3q1 = 0,8428 • 0,90 463 • 0,4274 + 0,8428 • •0,5726 • 0,9 537 + 0,90 463 • 0,5726 • 0,1572 = 0,45 311

вероятность отказа всех трех элементов в заданном интервале (0; 5) будет

P (A3)=p1p2p3= 0,8428 • 0,90 463 • 0,5726 = 0,43 656

вероятность безотказной работы всех трех элементов во время испытаний в заданном интервале (0; 5) будет

P (A4)=q1•q2•q3 = 0,4274 • 0,9 537 • 0,1572 = 0,0064

Вывод При заданных данных во время испытаний в заданном интервале (0; 5) наиболее вероятным является отказ только двух элементов, а наименее вероятным — отказ всех трех элементов, так как

P (A1) = 0,103 717 < P (A3) = 0,43 656 < P (A2) = 0,45 311

Вероятность же того, что все три элемента безотказно отработают во время испытаний в заданном интервале (0; 5) является небольшой, а именно P (A4) = 0,0064? 0,006

Список используемой литературы Н. Нарольская «Методическое руководство по выполнению курсовой работы» «Минск-2010».

Л.С. Барковская «Теория вероятностей: практикум"/ Л. В. Станишевская, Ю. Н Черторицкий — Минск: БГЭУ, 2004.

А.П. Рябушко «Индивидуальные задания по высшей математике» Часть4 Минск «Высшая школа».