Hệ thống Kỹ thuật độ tin cậy nhiệt động học: Đánh giá độ tin cậy

K THUT

ð TIN CY NHIT ðNG HC

1. Nhit ñng và k thut ñ tin cy

ð tin cy có cơ s toán hc t lý thuyt thng kê, nhưng chưa có khoa hc vng

chc v ñ tin cy ca quá trình hng hóc vt lý, trong ñó phi k ñn nhit ñng hc.

Nhiu k sư chưa thy ñưc mi quan h gia nhit ñng hc và ñ tin cy, nên ñã x lý

hai quá trình này mt cách riêng l và ñc lp. Chương này trình bày phương thc áp

dng lut nhit ñng hc và lý thuyt ñ tin cy qua bưc kt ni ch yu hai khoa hc

này thành “ k thut ñ tin cy nhit ñng” (TRE: Thermodynamic Reliability

Engineering - xem thêm ph lc 1), giúp hiu bit v hng hóc thc t trong ñ tin cy.

Khi kin to mt phn t bán dn, ch to mt xà thép, bơm mt trái bóng, thì h thng

ñưc thit lp luôn ch u yu t tương tác vi môi trư!ng xung quanh. T thân tác ñng

này ñã tương tác lên h thng và làm suy hao h thng. Yu t suy gim này do h thng

luôn có xu hưng cân b"ng nhit ñng vi môi trư!ng xung quanh. Hiu năng ca h

thng thư!ng có xu hưng gim dưi tác ñng ca yu t môi trư!ng. Không khí trong

mt qu bóng bt ñu khuch tán qua thành cao su; tp cht t môi trư!ng bên ngoài s

khuch tán vào lp bán dn thun; lc căng bên trong quá trình sn xut là nguyên nhân

ca bin dng trong bán dn; Hp kim thép bt ñu g$ sét do oxy t môi trư!ng khí quyn

khuch tán vào trong st. Trong các trư!ng hp khác, quá trình là t thân vn ñng nên

xáo trn là không th ño ngưc ñưc. Thí d, ta không mong mun không khí ñi ngưc

vào trong qu bóng, bán dn không th t thân thun khit ñưc, và thanh xà thép thì

không b g$ sét thêm na. Tính năng ñưc thit lp ban ñu trong sn xut gim dn mt

cách ngu nhiên và tr nên ño lư!ng ñưc trong th gii vĩ mô ca chúng ta.

Hin tưng lão hóa xut hin t quá trình này. Theo nhit ñng hc thì lưng

entropy ca vt cht ño lư!ng mc ñ xáo trn vi mô xut hin trong mc ñ vĩ mô.

Lut nhit ñng th hai mô t kin thc trc giác v các h thng theo entropy.

Tc là, các quá trình t thân xut hin tương tác gia h thng – môi trưng dn ñn

vic gia tăng entropy. Lut th hai là mt cách nói khác v th bc ca h thng và môi

trư!ng thay ñ&i theo hưng xáo trn.

Vic gia tăng xáo trn, hay entropy, làm mt dn kh năng làm vic tt. Lưng

entropy t&ng tuy không mt ñi nhưng gim dn. Năng lưng chung ca h thng và môi

trư!ng ñưc duy trì trong quá trình khi ñt gn ñn s cân b"ng v nhit ñng hc. Thí d

như qu bóng, trưc khi b lão hóa thì năng lưng ca h thng  trng thái có t& chc

cao nht. Năng lưng ñưc phóng thích thành dng ñng lưng ca chuyn ñng qu

bóng trong không khí. Sau khi b lão hóa, năng lưng ca phân t khí (ñang n"m trong

qu bóng) ñưc phân b ngu nhiên trong môi trư!ng. Các phân t này không th d'

dàng t& chc li ñưc, thanh xà thép mt mt dn sc bn khi b g$ sét. Các thí v ca

lut th hai va mô t các quá trình không th ñão ngưc, tc là quá trình lão hóa. Chính

xác hơn thì khi entropy không tăng, tc là h thng không b lão hóa.

T ñây, ta ñ nh nghĩa k thut ñ tin cy nhit ñng hc như là tác ñng nh"m ghi

nhn, nghiên cu, và ưc lưng kh năng tim tàng ca các vn ñ không ño ngưc

ñưc vào trong sn xut, và dùng thông tin này vào thit k và/hay vào phương thc ng

dng thit k.

2. H thng và môi trưng xung quanh

Trong nhit ñng hc cn ñ nh nghĩa v h thng và môi trư!ng xung quanh. Trong

k thut ñ tin cy nhit ñng (TRE), có ñ nh nghĩa sau:

• H thng là mt phn ca vt cht và/hay vùng không gian k cn ñ nghiên cu.

Theo quan ñim k thut thì thì ñiu này giúp hiu bit v lão hóa.

• Môi trư!ng là vt cht k cn và tương tác vi h thng.

Môi tru!ng không ñưc xem xét theo bn cht mà ch$ là phn tương tác trc tip vi

h thng cho trưc. Yu t tương tác này hưng h thng cng vi môi trư!ng ñt trng

thái cân b"ng nhit ñng hc.

2.1 Công và năng lưng t do

Trưc khi lão hóa, h thng có mt phn năng lưng t có “s(n sàng” cho công hu

ích. Năng lưng s(n sàng này ñưc gi là năng lưng t do φ. Năng lưng t do ca h

thng thư!ng nh hơn năng lưng ca h thng U; thí d nu T là nhit ñ ca môi

trư!ng và S là entropy ca h thng, thì φ= U – TS, tuân th ñiu kin φ< U. Nu năng

lưng t do ban ñu, gi là φ

(trưc khi lão hóa) và năng lưng t do sau cùng φ

(sau

khi lão hóa), thì φ

< φ

. H thng là cân b"ng nhit vi môi trư!ng khi năng lưng t do

ñưc ti thiu hóa.

• Môi trư!ng có nhit ñ c ñ nh là thay ñ&i ñ(ng nhit trong năng lưng t do b"ng

công thc hin ca h thng lên môi trư!ng.

Công = (φ

- φ

) (1)

2.2 Năng lưng t do theo ñưng dc Roller-Coaster và lut Arrhenius

ðôi khi, hưng ti thiu hóa năng lưng t do ca h thng là m n và gim dn

xung t ñ$nh. ði vi các h thng khác, hưng ñi này xung ñn ti thiu tương ñi,

ch không phi là ti thiu tuyt ñi, có v ging ñư!ng khúc khiu (roller-coaster).

Hưng ñi xung này này chưa chm dt mà còn có bưc ñi lên. Bưc vt lên nh này

trưc khi ñt ñim cc tiu thc ñưc gi là ngư*ng năng lưng t do. H thng duy trì

 cc tiu tương ñi trong th!i gian dài trưc khi suy gim v ñim cân b"ng thc. Th!i

gian  lân cn ñim cc tiu tương ñi là tu&i th ca sn ph+m ñưc ch to, và ln gim

sau cùng v tr ti thiu thc ca năng lưng t do bi'u di'n hng hóc tai bin ca sn

ph+m. Tu&i th ưc lưng , τ, khi mà h thng còn  trong cc tiu tương ñi thì tuân th

lut Arrhenius:

(1/τ) = 1/τ

exp(–∆/KBT),

trong ñó ∆ là biên ñ ca ngư*ng năng lưng t do.

2.3 Công nhit ñng và lut 1

Khi h thng bt ñu lão hóa, công do h thng tác ñng lên môi trư!ng hay ngưc

li. ðo công ñ(ng nhit và nu ñ nh lưng ñưc tác ñng ca h thng lên môi trư!ng,

thì ño lư!ng ñưc thay ñ&i ca năng lưng t do ca h thng. Dng un cong ca cái

k.p giy mô t mt công chu kỳ do môi trư!ng tác ñng lên h thng và thư!ng nguyên

nhân ca bin v trong vt cht. Bin v này làm mõi kim loi, và sau cùng làm gy k.p

giy; vic cht ô nhim t môi trư!ng khuch tán vào h thng biu di'n công hóa hc

do môi trư!ng vào h thng. Ta ñ nh lưng thay ñ&i này vào lut th nht ca nhit ñng

hc. Lut th nht cho r"ng năng lưng ñưc bo t0n nu xem nhit là mt dng năng

lưng. Lut ñng lc hc th nht mô t s bào toàn năng lưng.

• Năng lưng ∆U ca h thng là mt phn do công ∆W t môi

trư!ng tác ñng vào h thng và mt phn do nhit ∆Q di chuyn

t môi trư!ng vào h thng,

∆U = ∆Q + ∆W

Nu nhit ñi t h thng vào môi trư!ng, thì qui ưc du là

∆Q<0. Tương t, công do môi trư!ng tác ñng vào h thng có qui

ưc du là ∆W<0. 1ng dng vào thí d ca TRE, thì nhit ñưc

phóng thích vào môi trư!ng khi k.p giy ñưc ung cong ti lui.

Công do k.p giy tác ñng to nên bin dng plastic. Trong trư!ng hp này thì phn năng

lưng to nên bin dng plastic là ∆WA = ∆U

plastic

(A ch$ th yu t lão hóa). Sau nhiu

ln un cong ti lui, năng lưng plastic (cũng như entropy) ñưc to nên cho ñn khi h

thng b hng hóc tai bin. Theo cách mô t năng lưng t do, thì vic un cong ti lui

ñưa h thng vưt qua ngư*ng ca năng lưng t do.

2.4 Năng lưng t do và lut 2

Theo ñ nh nghĩa nhit ñng hc thì năng lưng t do là lưng năng lưng s(n sàng

ca h thng ñ thc hin công ñ(ng nhit vào

môi trư!ng. Lut th hai mô t cách dùng năng

lưng t do cho TRE

• Quá trình t phát hin din khi h thng n"m

trong vùng môi trư!ng ñ(ng nhit làm gim

năng lưng t do ca h thng theo hưng ti

thiu. Quá trình t phát làm gim kh năng

thc hin công hu ích ca h thng vào môi

trư!ng, làm lão hóa h thng. Minh ha toán

hc v trng thái này ñưc v  hình 2 và s

tho lun trong phn k tip. Lut th nht và

th hai bây gi! ñưc ñ nh nghĩa theo thí d

ca k thut ñ tin cy nhit ñng. T nhng

ñ nh nghĩa này, ta nói tip ñn yu t lão hóa.

3. Quá trình lão hóa

Cơ ch không th ño ngưc to nên yu t lão hóa  ñây là yu t tác ñng, khuch

tán, và quá trình ñưa lc t ngoài vào (xem phn tham kho 2) như mô t  hình 1. Kt

hp các quá trình này cung cp ñưc dng phc tp ca lão hóa. Lão hóa ph thuc vào

tc ñ khng ch quá trình. Không yu t nào trong ba yu t có vai trò ch ño lên ch

ñ hng hóc. Nói khác ñi thì tc ñ lão hóa ca m3i quá trình tương ñương nhau theo t$

l th!i gian, làm các cơ ch này có mc quan trng ging nhau. Ý nim v quá trình kh

ngh ch và không kh ngh ch ñ nh nghĩa hai ch ñ là cân b"ng và không cân b"ng nhit

ñng hc. Cân b"ng nhit ñng hc cung cp phương pháp mô t trng thái cân b"ng ñu

và cui ca h thng mà không cn mô t chi tit phương thc tin hóa ñn trng thái cân

b"ng cui ca h thng. Các trng thái sau cùng này là giá tr ti ña ca entropy t&ng (ca

h thng cng vi môi trư!ng) hay ti thiu ca năng lưng t do (ca h thng).

Nhit ñng không cân b"ng này mô t chi tit các vn ñ xy ra trong quá trình tin

hóa v trng thái cân b"ng cui, thí d tc ñ tăng chính xác ca entropy hay gim ca

năng lưng t do. Các phn ca năng lưng trao ñ&i ñưc bin thành nhit và công do

lut th nht ñưc bám theo khi tin hóa ñn trng thái cân b"ng cui. Ti ñim mà quá

trình không kh ngh ch chm dn ñn khi dng o, thì quá trình tiên dn ñn kh ngh ch.

V m4t toán hc, ñiu này ñưc mô t trong hình 2.

Thí d, công ñưc to nên trong pin hóa hc (pin có lc ñin ñng), pin b lão hóa và

năng lưng t do tăng. Nhit ñng không cân b"ng này mô t quá trình tin hóa khi dòng

ñin ñi qua pin, và trng thái cân b"ng sau cùng có ñưc khi dòng ngng di chuyn và pin

cht. “Np li ñin” là to ra pin th cp..

3.1 Bin trng thái

Nhit ñng còn cung cp mt phương pháp t nhiên ñ ñ nh nghĩa trng thái ca h

thng thông qua bin trng thái vĩ mô như nhit ñ, khi lưng, và áp sut. Các tham s

vĩ mô này ph thuc tng h thng cn nghiên cu bao g0m ñin áp, dòng ñin, ñin

trư!ng, d ch duyn do rung ñng, v.v,... ðây ñưc gi là bin trng thái nhit ñng hc.

Các tham s nhit ñng ñưc chia ra thành chuyên sâu (intensive) và chuyên rng

(extensive). Các bin chuyên sâu (intensive) có giá tr ñ0ng ñu trong sut h thng như

áp sut và nhit ñ. Các bin chuyên rng (extensive) có tính cng như khi lưng và

trng lưng. Thí d, nu h thng ñưc chia thành hai h con, thì khi lưng chung V

b"ng t&ng ca hai khi lưng con. Áp sut là intensive. Các áp sut intensive ca h con

thì b"ng và ging như trưc khi chia. Các tham s intensive ñưc ñ nh nghĩa trong

khong lân cn bé ca mt ñim. Mt s c4p bin trng thái có liên quan trc tip ñn

công cơ hc. Các bin công cơ hc ñưc cung cp trong bng dưi ñây.

3.2 Thit k th nghim dùng mô hình hng hóc và lão hóa nhanh

Khi th nghim ñ tin cy, ì

cn bit lưng nhit ñng gia tc

tác ñng vào ch ñ hng hóc.

Bng 2 cung cp bưc t&ng quan

nht. Bng này t& hp các nghiên

cu t$ m$ v quá trình này, và

làm ch$ dn cho phân loi stress

có quan h vi các ch ñ/cơ ch

hng hóc hay ñ to format. Khi

dùng làm format, mt sn ph+m

ñưc phân tích ban ñu dùng

phương pháp tra bng ñ phân

tích ch ñ hng hóc tim tàng,

tip theo là thit k th nghim

gia tc dùng yu t stress như

mô t  hình 1. Vn ñ này ñuc

gi là thit k th nghim t ch

ñ hng hóc (Test Design by Failure Modes). Hình 3 còn mô t mt s cơ ch và tc ñ

lão hóa tương ng. Hình này cho thy tc ñ lão hóa do hng hóc tham s và tai bin, và

mt s lĩnh vc trong ñó ba cơ ch - khuch tán, tác ñng, và áp - lc. Các thí d ñưc

minh hot tip theo sau.

Độ tin cậy hệ thống Kỹ thuật độ tin cậy nhiệt động học

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi