可靠性设计精选课件.ppt

《可靠性设计精选课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可靠性设计精选课件.ppt（99页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、可靠性设计,可靠性设计,可靠性设计,可靠性设计概述,可靠性设计基础,可靠性设计基本方法,机械系统的可靠性分析,机械系统的故障分析,机械零件的疲劳强度可靠度分析,可靠性设计可靠性设计概述可靠性设计基础可靠性设计基本方法机械,可靠性设计概述,可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。,可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。,但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及。,一、可靠性发展简史,第二次世界大战：可靠性问题突出的时期；,上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要的工作是由美国军事部门展开。,1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门

2、联合成立了“电子设备可靠性咨询组”AGREE小组。（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）,1957年提出了电子设备可靠性报告(AGREE报告)该报告首次比较完整地阐述了可靠性的理论与研究方向。从此，可靠性工程研究的方向才大体确定下来。,可靠性设计概述可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。可靠性长期,概述2,可靠性设计概述,除美国以外，还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家，也相继从50年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。,在上世纪60年代后期，美国约40的大学设置了可靠性工程课程。目前美国等发达国家

3、的可靠性工作比较成熟，其标志性的成果是阿波罗登月计划的成功。,本阶段工作的特点： 研究的问题较多集中于针对电器产品； 确定可靠性工作的规范、大纲和标准； 组织学术交流等。,国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60年代初在原电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。,发展最快的时期是上世纪80年代初期，出版了大量的可靠性工作专著、国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。,概述2可靠性设计概述除美国以外，还有前苏联、日本、英国、,概述3,但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较

4、慢。,许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收和坚定。,但在近些年，可靠性工作有些升温，这次升温的动力主要来源于企业对产品质量的重视，比较理智。,应该说，目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊，研究的成果多，实用的方法少；研究力量分散，缺乏长期规划；学术界较混乱，低水平的文章随处可见，高水平的成果无人过问,可靠性设计概述,概述3但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面,二、常规设计与可靠性设计,常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。,常规设计可通过下式体现：,计算中，F、l

5、、E、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。,上式给出的结论是：若ss则安全；反之则不安全。,应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量明是随机变量；基于前一个观点，当s s时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。,在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按概率的观点，当= 时， ss的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。,可靠性设计概述,二、常规设计与可靠性设计常规设计中，经验性的成分较多，如基于,概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算，并给出满足强度条件（安

6、全）的概率可靠度。,机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。,显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可靠性设计的重要内容。,可靠性设计概述,概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算,概述6,三、可靠性工作的意义,可靠性是产品质量的一项重要指标。,重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；,量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；,高可靠性的产品，市场的竞争力强；,四、可靠性学科的内容,可靠性基础理论：数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理）等；,可靠性工程：可靠性分析、

7、设计、试验、使用与维护等；,可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；,固有可靠性：由设计所决定的产品固有的可靠性；,使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；,可靠性设计概述,概述6三、可靠性工作的意义可靠性是产品质量的一项重要指标。,概述7,五、可靠性工作的特点,可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管理、计算机技术等；,可靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一个部门可以做好的，需全行业通力协作、长期工作；,目前，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。,与其他产品相比机械产品的可靠性技术

8、有以下特点：,因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后；,机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂；,机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差；,机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；,可靠性设计概述,概述7五、可靠性工作的特点可靠性是涉及多种科学技术的新兴交,可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力包含五个要素：产品，规定时间，规定条件，规定功能，能力产品：作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备和系统规定时间：可靠性定义的核心。时间是一个广义的概念规定条件：产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作技术规定功能：产品的各种性能指标。不同产

9、品功能不同能力：定性、定量规定说明产品可靠性的程度,可靠性设计基础,一、可靠性定义与指标,可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力,产品可靠性由固有可靠性和使用可靠性组成。固有可靠性：是产品在设计、制造中赋予的，是 产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的使用可靠性：产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，除考虑固有可靠性的影响因素外，还考虑产品安装、 操作使用和维修保障等方面因素的影响固有可靠性高，使用条件好的产品可靠性较高产品可靠性近似为二者乘积,可靠性设计基础,一、可靠性定义与指标,产品可靠性由固有可靠性和使用可靠性组成。 可靠性设计基础一、,维修

10、性：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复执行规定状态的能力维修性是产品质量的一种特性，即由产品设计赋予的使其维修简便、迅速和经济的固有特性保障性：系统（装备）的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力与装备保障有关的设计特性充足和适 用程度保障资源的充足和适 用程度,可靠性设计基础,维修性：产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法,可用性：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映可靠性是从延长其正常工作时间来提高 产品可用性，而维

11、修性则是从缩短因维修的停机时间来提高可用性可信性：集合性术语，用来表示可用性及其影响因素：可靠性、维修性、维修保障可信性的定性和定量具体要求是通过可用性、可靠性、维修 性、维修保障的定性和定量要求表达的,可靠性设计基础,可用性：在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下,基础2,、可靠性指标,可靠性设计基础, 可靠度：(Reliability),产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。,记为：R()即：R()=P,其中：T为产品的寿命；为规定的时间；,事件有下列三个含义： 产品在时间内完成规定的功能； 产品在时间内无故障； 产品的寿命大于。,若有N个相同的产品同时投入试

12、验，经历时间后有n(t)件产品失效，则产品的可靠度为：,基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度：(Reli,基础2,、可靠性指标,可靠性设计基础, 可靠度：(Reliability),同时，失效（故障）概率为：,又称累积失效概率，不可靠度。是指产品在规定条件下和规定时间内丧失规定功能的概率。,为了表征故障概率随寿命变化的规律，描绘出了失效频率直方图。 失效概率密度函数和失效概率的关系为,基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度：(Reli,基础2,、可靠性指标,可靠性设计基础, 可靠度：(Reliability),由概率论可得出以下性质：,（1）R(0)=1表示产品在开始时处于良好状态；

13、,（2）R(t）是时间t的单调递减函数，即t增大， R(t）减小；,（3）limR(t）=0，即当时间t充分大时可靠度的值趋于零；,（4）0R(t）1，即无论任何时刻，可靠度的值永远介于0和1之间。,基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度：(Reli,基础3,可靠性设计基础, 失效率：,例：若有100件产品，实验10小时已有2件失效。此时观测1小时，发现有1件失效，这时,若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，这时,工作到某个时刻尚未失效的产品在该时刻后单位时间内失效的概率。,基础3 可靠性设计基础 失效率：若定义：为平均失效率则：,基础3-2,可靠性设计基础,显

14、然有：,失效率曲线（也称浴盆曲线）,适于电产品,适于机械产品,基础3-2 可靠性设计基础显然有：失效率曲线（也称浴盆曲线,可靠性设计基础,早期失效期产品投入使用初期，产品的故障率较高，且具有迅速下降的特征。故障主要是设计与制造中的缺陷，如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调 整不当等，可以通过加强质量管理及采用筛选等办法来减少 甚至消灭早期故障。偶然失效期产品投入使用一段时间后，产品的故障率可降到一个较低的水平，基本处于平稳状态，可以近似认为故障率为常数。损耗失效期产品投入使用相当长的时间后，产品的故障率迅速上 升，很快出现产品故障大量增加直至最后报废。故障主要是由老化、疲劳、磨损、 腐蚀等耗

15、损性因素引起的,可靠性设计基础早期失效期,基础4,可靠性设计基础, 平均寿命, 对于不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure),对于可修产品为平均故障间隔时间MTBF (Mean Time Between Failure),设 N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部失效时间为 t1，t2，tN0。其 平均失效前时间(MTTF)为,一个可修复产品在使用过程中发生了 N0 次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每 次工作持续时间为 t1，t2，tN0，其平均故障间隔时间 MTBF 为,对于完全修复的产品，因修复后的状态与新产品一样，一个产品

16、发生了 N0 次故障相当于 N0 个 新产品工作到首次故障,基础4 可靠性设计基础 平均寿命 对于不可修产品为平均无,基础4,可靠性设计基础, 有效寿命,适于电产品,适于机械产品,基础4 可靠性设计基础 有效寿命早期失效期正常工作期耗损期,基础4,可靠性设计基础, 可靠寿命,使可靠度等于给定值 r 时的产品寿命称为可靠寿命，记为tr，其中 r 为可靠水平。,R=0.5时的可靠寿命称为中位寿命，产品为中位寿命时，正好有一半失效。,R=1/e时的可靠寿命称为特征寿命。,基础4 可靠性设计基础 可靠寿命使可靠度等于给定值 r,基础4,可靠性设计基础, 维修度,在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程

17、序和方法完成维修的概率。(M(t), 有效度,平均维修时间：MTTR(Mean Time To Repair),可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。,MTTR=ti/n,基础4 可靠性设计基础 维修度在规定的条件下和规定的时,基础5,二、概率论的基本概念,、 随机事件与事件间的关系,可靠性设计基础,随机事件“不可预言的事件”,、事件或事件发生的事件,、事件与事件同时发生的事件,、 频率与概率,做次实验，随机事件共发生次，则：,随机事件出现的频率为：,随机事件出现的概率为：,基础5二、概率论的基本概念、 随机事件与事件间的关系 可靠,基础6,、概率运算,可靠性设计基础,P(AB)=P

18、(B)P(AB) =P(A)P(BA),若P(A B)=P(A)，则A与B相互独立，且P(AB)=P(A)P(B),P(A+B)=P(A)+P(B)P(AB),若P(AB)=，则A与B互不相容，且P(AB)=P(A)P(B),二、概率分布与数字特征,、概率分布,基础6、概率运算 可靠性设计基础P(AB)=P(B)P(,基础7,可靠性设计基础,、数字特征, 均值(期望),反映随机变量取值集中的位置，常用或E(x)表示。,定义：,在可靠性设计中，E(x)可表示平均强度、平均应力、平均寿命,在常规设计中引入的物理量，多数就是E(x)。,基础7 可靠性设计基础、数字特征 均值(期望)反映随机变,基础8

19、,可靠性设计基础, 方差,衡量随机变量取值的分散程度，用D(x)、2表示。,定义：,标准差、均方差,基础8 可靠性设计基础 方差衡量随机变量取值的分散程度，用,基础9,可靠性设计基础, 变异系数,C是一个无量纲的量，表示了随机变量的相对分散程度。,基础9 可靠性设计基础 变异系数C是一个无量纲的量，表示了,基础10,可靠性设计基础, 偏度（Skewness Sk),Sk = 0 对称分布,Sk 0 正偏分布,Sk 0 负偏分布,基础10 可靠性设计基础 偏度（Skewness Sk),基础11,可靠性设计基础,三、可靠性分析中的常用分布,、 指数分布,概率密度函数：,累积分布函数：,若xt（寿

20、命），则t指数分布，反映了偶然因素导致失效的规律。,平均寿命=/l（MTBF)， l为失效率。,指数分布常用于描述电子产品的失效规律，由于l为常数，指数分布不适于描述按耗损规律失效的问题，机械零件的失效常属于这一类型。,基础11 可靠性设计基础三、可靠性分析中的常用分布、 指数,基础11-例,可靠性设计基础,关于指数分布的讨论,相关公式：,上述推导表明，若产品的寿命服从指数分布，则表明该产品是“永远年轻” 的（指数分布“无记忆性”）。,P(AB)=P(B)P(AB) =P(A)P(BA),基础11-例 可靠性设计基础关于指数分布的讨论相关公式：,基础12,可靠性设计基础,、正态分布（高斯分布）

21、,概率密度函数：,累积分布函数：,为均值,为方差,分布形态为对称分布,基础12 可靠性设计基础、正态分布（高斯分布）概率密度函数,基础13,可靠性设计基础,当， 时，为标准正态分布。,3 准则：超过距均值3距离的可能性太小，认为几乎不可能（或靠得住）。,若：L=F300.06mmN(,),则： 30mm, =0.063=0.02mm,自然界和工程中许多物理量服从正态分布，可靠性分析中，强度极限、尺寸公差、硬度等已被证明是服从正态分布。,基础13 可靠性设计基础当， 时，为标准正态分,例,例,有一个钢制结构件，据实验有sBN(m，s)， 均值msB =400MPa，变异系数c=0.08。,求：

22、smax =300MPa时，结构件的失效概率？要求可靠度R=0.9977时， smax = ？。,解： PF=P(sB smax )= P(sB 300), PF1R=10.99770.0023,例例有一个钢制结构件，据实验有sBN(m，s)， 均值,基础14,可靠性设计基础,、对数正态分布,可记为：,概率密度函数为：,大量的疲劳失效规律服从对数正态分布，如疲劳寿命的分布。,基础14 可靠性设计基础、对数正态分布若：，则称x服从对数,基础15,可靠性设计基础,、威布尔分布（Weibull）,形状参数；,尺度参数；,x0位置参数；,形状参数不同的影响,基础15 可靠性设计基础、威布尔分布（Wei

23、bull）,基础16,可靠性设计基础,尺寸参数不同的影响,位置参数不同的影响,基础16 可靠性设计基础尺寸参数不同的影响位置参数不同的影响,基础17,可靠性设计基础,威布尔分布的数字特征,式中：()为Gamma函数，,威布尔分布是一簇分布，适应性很广。因源于对结构疲劳规律的分析，因而是在机械可靠性设计中生命力最强的分布。,滚动轴承的寿命L服从二参数的威布尔分布，,其中：=1.5(ISO/R286),基础17 可靠性设计基础威布尔分布的数字特征式中：()为,基础18,可靠性设计基础,目前国家标准中采用下列方法计及滚动轴承的可靠度,其中，L10为基本额定寿命（可靠度为90%),Ln为可靠度R=1-

24、n%的轴承寿命,a1为轴承的可靠性系数，其值按下表取：,关于a1的推导：,基础18 可靠性设计基础目前国家标准中采用下列方法计及滚动轴,基础19,可靠性设计基础,例：已知某轴承L106000小时，求R=94%、95.5%时的寿命，以及Ln=3000小时时的可靠度。,解：R=94%时，,当R=95.5%时，,Ln=3000小时时，,基础19 可靠性设计基础例：已知某轴承L106000小时，,基础15,可靠性设计基础,5、二项分布,某事件在n次试验中发生r次的概率,二项式系数,累积分布函数,基础15 可靠性设计基础5、二项分布某事件在n次试验中发生r,基础15,可靠性设计基础,6、泊松分布,二项分

25、布中p较小n较大时，则用泊松分布,累积分布函数为,基础15 可靠性设计基础6、泊松分布二项分布中p较小n较大时,基础20,可靠性设计基础,四、可靠性分析分布的确定,实际应用中，多为引用理论分布，在引用分布时应考虑：,、物理意义电产品多用指数分布、疲劳寿命用对数正态分布，建议机械产品多用威布尔分布。,、统计检验易通过威布尔分布最易通过检验。,、计算简便正态分布最方便。,分布确定的途径：引用理论分布、建立特殊的分布。,应特别注意积累可靠性数据！,基础20 可靠性设计基础四、可靠性分析分布的确定实际应用中，,可靠性设计基本方法1,可靠性设计原理,一、概率设计的基本概念,、常规机械设计,采用安全系数法

26、或许用应力法。,常规设计缺陷：,1）现实的设计变量大都是随机变量，都应该依概率取值。,2）常规设计方法的关键是选取安全系数。不考虑变量离散性的安全系数不能正确反映设计的安全裕度。,可靠性设计基本方法1可靠性设计原理一、概率设计的基本概念、,可靠性设计基本方法1,可靠性设计原理,一、概率设计的基本概念,、常规机械设计,可靠性设计基本方法1可靠性设计原理一、概率设计的基本概念、,可靠性设计基本方法1,可靠性设计原理,一、概率设计的基本概念,2、概率设计,概率设计基本观点：,1）认为零件的强度r服从于概率密度为fr(r)的随机变量，加在零件上的应力s服从概率密度为fs(s)的随机变量。,2）零件的强

27、度r随时间而退化，即强度的均值随时间的推移而减小，而均方差随时间推移而加大。加在零件上的应力s对时间而言是稳态的，即其概率密度fs(s)不随时间推移而变化。,3）当零件强度r大于加在零件上的应力s时，零件是可靠的，其可靠度为,可靠性设计基本方法1可靠性设计原理一、概率设计的基本概念2、,可靠性设计基本方法1,可靠性设计原理,一、概率设计的基本概念,2、概率设计,强度和应力关系,可靠性设计基本方法1可靠性设计原理一、概率设计的基本概念2、,可靠性设计基本方法1,可靠性设计原理,一、概率设计的基本概念,2、概率设计,常规设计与概率设计不同之处：,1）设计变量的性质不同。常规设计设计变量是确定数值的

28、单值变量，而概率设计中涉及到的变量为具有多值的随机变量。,2）设计变量运算方法不同。常规设计中变量运算为实数域的代数运算，得到的是确定的单值实数，但可靠性设计中随机的设计变量间运算要用概率及其分布函数的数字特征的概率运算法则进行。,3）设计准则的含义不同。常规设计中判断一个零件是否安全，应用安全系数判断，计算中未考虑影响零件应力和强度的许多非确定性因素。而概率设计中综合考虑了各设计变量的统计分布特征，定量地用概率表达了产品的可靠程度，更能反映实际情况。,可靠性设计基本方法1可靠性设计原理一、概率设计的基本概念2、,可靠性设计基本方法1,可靠性设计基本方法,二、应力强度干涉理论（模型）,、基本概

29、念,若应力s和强度r均为随机变量，则z=r-s也为随机变量。,产品要可靠，需满足： z=r-s 0,即产品可靠度为：R=P( z0)= P(r-s 0),可以导出：,或,两个公式是等同的,可靠性设计基本方法1可靠性设计基本方法二、应力强度干涉理论,方法2,可靠性设计基本方法,认识应力强度干涉模型很重要，这里应特注意应力、强度均为广义的应力和强度。,广义应力导致失效（故障）的因素，如温度、电流、载荷等；,广义强度阻止失效（故障）的因素，如极限应力、额定电流等；,几点说明：,干涉模型是可靠性分析的基本模型，无论什么问题均适用；,干涉区的面积越大，可靠度越低，但不等于失效概率；,关于R的计算公式仅为

30、干涉模型的公式化表示，实际应用意义很小。,方法2可靠性设计基本方法认识应力强度干涉模型很重要，这,方法2,可靠性设计基本方法,2、可靠度的确定方法,（1）令E1表示应力随机变量s落在某一假定应力s0附近一微区间ds内占的事件，则E1出现的概率为,（2）E2表示强度随机变量r大于s0的事件，则E2出现的概率为,方法2可靠性设计基本方法2、可靠度的确定方法（1）令E1表,方法2,可靠性设计基本方法,2、可靠度的确定方法,（3）可以认为事件E1、 E2是相互独立的，则E1、 E2同时出现的概率为,（4）考虑到某一假定应力可能为si，其包括所有的值，当s落在si某个区域而r又大于si ，产品就可靠，故

31、最终导出可靠度表达式,方法2可靠性设计基本方法2、可靠度的确定方法（3）可以认为,方法2,可靠性设计基本方法,3、应力、强度均为正态分布时的可靠度计算,方法2可靠性设计基本方法3、应力、强度均为正态分布时的可靠度,方法3,可靠性设计基本方法,称为可靠性系数（或可靠性指数）,两类可靠性问题：,已知，求R=()可靠性估计,已知R，求=-1(R) 可靠性设计,方法3可靠性设计基本方法称为可靠性系数（或可靠性指数）两类,方法4,可靠性设计基本方法,例：一钢丝绳受到拉伸载荷FN(544.3，113.4)kN，已知钢丝的承载能力QN(907.2，136)kN，求该钢丝的可靠度R。,若采用另一厂家生产的钢丝

32、绳，由于管理严格，钢丝绳的质量的一致性较好， Q的均方差降为90.7kN，这时：,方法4可靠性设计基本方法例：一钢丝绳受到拉伸载荷FN(54,方法5,可靠性设计基本方法,例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力FN(120，12)kN，连杆材料为Q275钢，强度极限BN(238，0.08238)MPa，连杆的截面为圆形，要求具有90%的可靠度，试确定该连杆的半径r。,解：设连杆的截面积为A(mm2),方法5可靠性设计基本方法例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力F,方法6,可靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,可靠性设计的过程,方法6可靠性设计基本方法三、机械强度可靠性计算可靠性设计的,方法6,可

33、靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,1.材料力学统计性能处理,1）当材料性能数据给出范围时，设max、min分别为某一性能的上下限，则均值和标准差可取为, =（max+min）/2, =（max-min）/2,2）当给出材料性能数据确定值时，做统计量处理，可将此值作为均值，标准差用变异系数求取,V =标准差/均值则 标准差=V变异系数,方法6可靠性设计基本方法三、机械强度可靠性计算1.材料力学统,可靠性设计精选课件,方法6,可靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,2.工作载荷统计分析,1）作用在机械或构件上的外载可以是力，力矩，应力，功率，温度等,2）载荷有静载、动载、稳定、不稳定等

34、多种类型,3）可通过实测获得一系列数据，根据统计原理进行分析，确定其分布类型与参数，给出数学模型，为可靠性设计提供参数,4）对于动载荷，目前常用记录方法为功率谱法和循环计数法。,方法6可靠性设计基本方法三、机械强度可靠性计算2.工作载荷统,方法6,可靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,3.几何尺寸的分布与偏差,1）加工尺寸受多个随机因素综合影响，一般符合正态分布。,2）通常尺寸都给出规定公差，故可按3法则处理,若尺寸D的实际尺寸为DT，则有3=T，,故 标准差=T/3,若尺寸的极限偏差对公称尺寸不是对称的，则由D0T,得 标准差=（T-0）/6=T/6,方法6可靠性设计基本方法三、机械强

35、度可靠性计算3.几何尺寸的,方法6,可靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,4.随机变量函数的统计特征值,设随机变量函数y是相互独立的随机变量x1，x2，xn的函数，即,y=f（ x1，x2，xn ）,已知各随机变量x1，x2，xn服从正态分布，其均值和标准差分别为i和i，则随机变量函数y也服从正态分布，其均值和标准差可按下式计算,y=f（ 1，2，n ）,方法6可靠性设计基本方法三、机械强度可靠性计算4.随机变量函,方法6,可靠性设计基本方法,三、机械强度可靠性计算,5.机械强度可靠性设计,按上述概率设计法进行，但必须作如下假设：,1）假设零部件的设计参量均为随机变量，分布服从某一概率分

36、布，通过计算可以求得合成的应力分布；,2）假设零部件的强度与材料的力学性能、尺寸因子、表面系数等有关，他们也分别服从某一概率分布，也可以求得合成的强度分布；,可靠性设计的基本方法在于如何把合成的应力分布和合成的强度分布在概率的意义下结合起来，变成设计计算可靠性的一种依据。,方法6可靠性设计基本方法三、机械强度可靠性计算5.机械强度可,方法8,可靠性设计基本方法,例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力FN(120，12)kN，连杆材料为Q275钢，强度极限BN(238，0.08238)MPa，连杆的截面为圆形，半径r =140.06mm，且服从正态分布 。计算连杆的工作可靠度R。,方法8可靠性设计基

37、本方法例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力F,方法9,可靠性设计基本方法,使用时应注意上述方法的近似条件和局限性。,、正态分布假设，特别是对函数分布的假设比较勉强；,2 、各基本随机变量的独立性假设，若不独立，则引入较大误差；,例：若孔径D=1001.2mm，轴径d=980.9mm，求间隙？,解：假设正态分布，用“3”准则，则有：,（出问题了）,方法9可靠性设计基本方法使用时应注意上述方法的近似条件和局限,系统分析1,系统的可靠性设计,机械系统可靠性分析的基本问题：,机械系统可靠性的预测问题：,机械系统可靠性的分配问题：,在已知系统中各零件的可靠度时，如何得到系统的可靠度问题。,在已知对系统可靠

38、性要求（即可靠度指标）时，如何安排系统中各零件的可靠度问题。,这两类问题是系统可靠性分析相互对应的逆问题。,系统分析1系统的可靠性设计 机械系统可靠性分析的基本,系统分析2,机械系统的可靠性,一、系统可靠性的预测,1. 系统结构模型的分类,（1）串联系统,（2）并联系统,系统分析2机械系统的可靠性一、系统可靠性的预测1. 系统结构,系统分析2,机械系统的可靠性,一、系统可靠性的预测,1. 系统结构模型的分类,并联冗余系统,工作贮备系统（纯并联系统）： 表决系统（K/n系统）,非工作贮备系统：某一个或某几个零部件处于工作状态，其他处于待命状态。,系统分析2机械系统的可靠性一、系统可靠性的预测1.

39、 系统结构,系统分析2,机械系统的可靠性,一、系统可靠性的预测,2、串联系统的可靠度：系统中只要有一个零件失效，系统便失效。,若个组成零件的可靠度为：R1、 R2、 Rn，各零件的可靠事件是相互独立的，则系统的可靠度为：,另有观点认为，串联系统应是一种链式系统模型，即系统的可靠性取决于其中最弱环节的可靠性，因此有：,系统分析2机械系统的可靠性一、系统可靠性的预测2、串联系统的,系统分析2,机械系统的可靠性,一、系统可靠性的预测,2、串联系统的可靠度：系统中只要有一个零件失效，系统便失效。,若系统中零件的可靠度服从指数分布，在(t)=i则,系统的失效率为,系统分析2机械系统的可靠性一、系统可靠性

40、的预测2、串联系统的,系统分析3,机械系统的可靠性,3、并联系统可靠度计算,显然有，nRs。,（1）工作储备系统可靠度计算,1）纯并联系统,系统分析3机械系统的可靠性3、并联系统可靠度计算显然有，n,系统分析3,机械系统的可靠性,3、并联系统可靠度计算,（1）工作储备系统可靠度计算,2）表决系统：系统共有n个零件，只要K个零件正常，系统正常。,飞机引擎系统,系统分析3机械系统的可靠性3、并联系统可靠度计算 （1）,系统分析3,机械系统的可靠性,3、并联系统可靠度计算,（1）工作储备系统可靠度计算,2）表决系统：飞机引擎采用2/3系统，设发动机1、2、3可靠度分别为R1、R2、R3，假设部件相互

41、独立，该系统正常工作的条件是，只要有两台以上发动机正常工作，则整个系统正常工作。,等效逻辑图,分析：四种情况可以使飞机正常工作，1、2、3均正常工作；1、2正常，3失效；2、3正常，1失效；1、3正常，2失效。,系统分析3机械系统的可靠性3、并联系统可靠度计算 （1）,系统分析3,机械系统的可靠性,3、并联系统可靠度计算,根据概率算法，可以算出：,等效逻辑图,RS=R1R2R3+R1R2（1-R3）+（1-R1）R2R3 +R1（1-R2）R3,当R1 =R2 = R3 = R时，得,RS=R3+（R2 -R3 ）+（R2 -R3 ）+（R2 -R3 ）=3 R2 -2R3,系统分析3机械系统

42、的可靠性3、并联系统可靠度计算 根据概,系统分析2,机械系统的可靠性,系统中只有一个单元处于工作状态，其他处于待命状态；但工作单元出现故障时，处于待命状态的单元立即转入工作状态。,3、并联系统可靠度计算,3）非工作储备系统（开关系统）可靠度计算,n个单元组成的非工作储备系统，若转换开关的可靠度为1，且各单元的失效率都为常数，系统的可靠度为,若转换开关的可靠度RK1，则两单元的失效率为常数的系统的可靠度为,系统分析2机械系统的可靠性 系统中只有一个单元处,系统分析3,机械系统的可靠性,、复杂系统：由串、并联系统及表决系统组成。,系统简化,系统分析3机械系统的可靠性、复杂系统：由串、并联系统及表决

43、,系统分析3,机械系统的可靠性,、系统模型的判别应注重从功能上来识别！,例如：一个油滤系统，,是什么系统？,若失效形式为滤网堵塞，则属于串联系统。,若失效形式为滤网破裂，则属于并联系统。,系统分析3机械系统的可靠性、系统模型的判别应注重从功能上,系统分析4,机械系统的可靠性,讨论：行星轮系的可靠性模型。,系统分析4机械系统的可靠性讨论：行星轮系的可靠性模型。模型一,系统分析5,机械系统的可靠性,二、系统可靠性分配,问题：已知系统的可靠性指标（可靠度），如何把这一指标分配到个零件中去。这是可靠性分析的反问题。,可能的已知条件：系统可靠度Rs、曾预计的零件可靠度Ri 、可靠性模型。,分配问题相当于

44、求下列方程的解：,事实上，上列方程是无定解的，若要解，需加以约束条件。, 按重要度分配原则, 按经济性分配原则, 按相对失效率分配原则, 按等分配法分配原则,系统分析5机械系统的可靠性二、系统可靠性分配问题：已知系统的,系统分析6,按等分配法的原则,分配原则：系统中各零件的重要性相当，可给各零件分配相同的可靠度。,系统分析6按等分配法的原则 分配原则：系统中各零件的重要,系统分析7,按相对失效率分配的原则,分配原则：根据现有的可靠度水平，使每个单元分配到的失效率和现有失效率成正比。适用于失效率为常数的串联系统。,设系统中各单元或子系统现有的失效率为i ；,对整个系统的可靠度要求为R*，它对应的

45、失效率为 *。,按相对失效率比分配的规则是：,若按i 算出的系统可靠度R达不到R*的值，则需要重新分配个子系统的失效率 *。,系统分析7按相对失效率分配的原则 分配原则：根据现有的可,系统分析8-1,按重要度分配的原则,分配原则：重要的零件应分配较高的可靠度。“重要”可以是指：功能的核心、失效的后果严重等。,多数文献介绍的是AGREE分配法：根据各单元的复杂性、重要性以及工作时间的差别，并假定各单元具有不相关的恒定的失效率进行分配。适用于各单元工作期间的失效率为常数的串联系统。,设系统中有k个元件串联组成，ni为第i 个单元的组件数，则系统的总组件数为：,第i 个单元的复杂程度用ni/N 表示

46、。,系统分析8-1按重要度分配的原则分配原则：重要的零件应分,系统分析8-2,按重要度分配的原则,重要思想：考虑各单元在系统中的重要性引进了一个“重要度”因子。其定义为：因单元失效而引起系统失效的概率。,设T及ti 分别为系统要求第i 个单元的工作时间， T 时间内第i 个单元的工作时间用 ti /T 表示。,AGREE分配法认为：单元的分配失效率i应与重要度成反比，与复杂程度成正比，与工作时间成反比，即,系统分析8-2按重要度分配的原则 重要思想：考虑各单,系统分析8-2,按重要度分配的原则,若各系统服从指数分布，则有,则分配给单元i的失效率为,系统分析8-2按重要度分配的原则若各系统服从指

47、数分布,系统分析8-2,按重要度分配的原则,4. 储备度的分配方法,若系统的原有结构不满足可靠度的要求，要增加储备件，即设计冗余。此时应考虑多个方案进行比较，如何加储备件最节省以及在哪个单元上增加可靠度最有效。,系统分析8-2按重要度分配的原则 4. 储备度的分配,FMECA0,故障树分析(FTA),FMECA0 故障树分析(FTA),1.1,概 述,故障树分析也称失效树分析，是一种可靠性、安全性分析和风险评价方法。它通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，由总体至部分按倒立树状逐级细化分析，画出逻辑框图，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式或其发生概率。,1.1概 述故障树分析也称失效树

48、分析，是一种可靠性,1.2,概 述,故障树分析的概念：,顶事件：最不希望发生的事件（分析目标）；,故障树分析法由美国贝尔实验室的H.A.Watson提出，1962年用于导弹发射控制系统的可靠性分析取得成功。,工程设计阶段可帮助寻找潜在的事故； 系统运行阶段可用作失效预测。,底事件：导致其他事件发生的原因事件；,中间事件：介于顶事件和底事件之间的一切事件。,故障树形成的过程：以顶事件为分析目标，寻找顶事件发生的全部底事件。用相应的符号代表事件，用适当的逻辑门将事件连结，构成倒立树形图就是故障树。,1.2概 述故障树分析的概念：顶事件：最不希望,1.2,概 述,故障树分析法特点：,图形演绎法，直观

49、、形象；,可对系统可靠性、安全性进行定性和定量分析，还可以找出系统的全部可能失效状态；,需花费大量人力、时间，但软件方面发展迅速；,通过分析过程，可以加深对系统的理解和熟悉程度，从而找出系统的薄弱环节。,1.2概 述故障树分析法特点： 图形演绎法，直观、,2.1,建造故障树需要一些逻辑关系的门符号和事件符号，以表达事件之间的逻辑因果关系。,故障树的构造,顶事件或中间事件 底事件 省略事件 开关事件 事件的转移,与门 或门 禁门,2.1建造故障树需要一些逻辑关系的门符号和事件符号，以表,2.1,1.准备工作：分析、深入了解系统。收集系统相关技术文件资料，进行仔细分析研究。,故障树的构造,2.选择

50、和确定顶事件：任何需要分析的系统故障都可以作为顶事件，通常是最不希望发生的事件。大型系统顶事件可能不止一个，顶事件必须有明确定义，而且一定是可以分解的。,3.自上而下建造故障树。分析造成顶事件的原因，即确定其各级中间事件，直至找出所以底事件，形成故障树。,2.11.准备工作：分析、深入了解系统。收集系统相关技术文件,2.1,故障树的构造,例：汽油泵不泵油,2.1 故障树的构造例：汽油泵不泵油,2.1,故障树的构造,例：割草机马达故障,2.1 故障树的构造例：割草机马达故障,2.1,故障树的定性分析,故障树定性分析主要目的：为了找出导致顶事件发生的所有可能的失效模式失效谱，或找出使系统成功的成功