汽车可靠性理论基础课件.ppt
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1、汽车可靠性理论基础,内 容 提 纲,概率统计基础知识可靠性函数可靠性理论分布可靠性数据分布,3/106,一、概率统计基础知识,总体:研究对象的全体。 通常指研究对象的某项数量指标。组成总体的元素称为个体。,从本质上讲,总体就是所研究的随机变量或随机变量的分布。,1、总体与样本,5/106,样本:来自总体的部分个体X1, , Xn 如果满足:,(1)代表性: Xi,i=1,n与总体同分布.(2)独立性: X1, ,Xn 相互独立; 则称为容量为n 的简单随机样本,简称样本。 而称对样本进行一次观察,得到一组 确定的值x1, ,xn为样本观察值。,6/106,总体、样本、样本观察值的关系,总体,样
2、本,样本观察值,?,理论分布,统计是从手中已有的资料样本观察值,去推断总体的情况总体分布。样本是联系两者的桥梁。总体分布决定了样本取值的概率规律,也就是样本取到样本观察值的规律,因而可以用样本观察值去推断总体,7/106,2、随机事件及概率,随机现象 在一定条件下,并不总出现相同结果的现象随机事件 在一定条件下,可能发生也可能不发生的试验结果随机事件间相互关系,事件包含关系,和事件示意图,8/106,积事件示意图,差事件示意图,互不相容事件示意图,对立事件示意图,9/106,汽车可靠性技术,第六讲,主讲教师:杨志发学时:32,基本定理概率加法定理 两事件不相容 两事件相容概率乘法定理 两事件不
3、独立 两事件独立概率互补与全概率公式,10/106,互不相容则是说发生则必不发生;相互独立,是指一个事件的发生不会使另一个事件的发生增加或减少可能。,11/106,步骤,步骤,步骤,未,12/106,3、统计特征数,平均值,中位数 n个数据从小到大排列,居于中央位置的数,称为中位数。当n为奇数时,中位数 ;当n为偶数时,中位数是 和 的均值。,众数 在一批数据中,出现次数最多的一个数。,13/106,1.样本极差,表示离散程度的特征数,14/106,汽车可靠性技术,第七讲,主讲教师:杨志发学时:32,二、可靠性函数,2.1 可靠度函数,1)可靠度函数的定义 可靠度(Reliable)的定义:产
4、品在规定的条件下,在规定的时间内完成规定功能的概率,称为可靠度。这种用概率来度量可靠度的函数,称可靠度函数,简称可靠度,用R(t)表示。,式中N0 t=0时,在规定条件下进行工作的产品数;n(t) 在0到t时刻的工作时间内,产品的累计故障数。,16/106,2)可靠度函数的含义 产品在规定的时间内是否失效? 是一种随机现象以用概率来度量产品在某一时刻的可靠性。可靠度是时间t的函数,取值在0与1之间。,T为产品固有寿命? t为规定时间,2.1 可靠度函数,17/106,定义 失效概率,就是产品在规定的条件下,在规定的时间内未完成规定功能的概率,也称不可靠度 F(t) ;通常用累积故障概率的分布函
5、数来表示,这种函数,称不可靠度函数或累积失效概率分布函数,简称失效概率分布函数。含义,2.2 失效概率分布函数,设有N件产品,在规定的条件下工作到规定的时间T,发生故障(失效)的件数为n(t),仍有(Nn)个产品继续工作,如果产品总数N足够大时,则可靠度近似为,则失效概率近似为,18/106,显然,以下关系成立:,失效概率密度函数f(t),f(t)的量纲为时间的倒数,是一个广义的时间。,2.2 失效概率分布函数,19/106,可靠度函数与失效概率分布函数的性质,与 的性质如下表 所示:,对偶性,非减函数,非增函数,单调性,0,1,0,1,取值范围,2.2 失效概率分布函数,20/106,2.2
6、 失效概率分布函数,21/106,故障率工作到某时刻尚未发生故障的产品,在该时刻后单位时间内发生故障的概率,称之为产品的故障率。用数学符号表示为:,式中 故障率;,t 时刻后, 时间内故障的产品数;,残存产品数,即到t 时刻尚未故障的产品数。,2.3 失效率函数,22/106,可按下式进行工程计算:,式中 时刻后, 时间内故障的产品数;,所取时间间隔;,残存产品数。,对于低故障率的元部件常以 为故障率的单位,称之为菲特(Fit)。,2.3 失效率函数,23/106,故障率数学定义,故障率含义,产品的寿命为非负连续型随机变量x,失效概率分布函数为F(t)失效概率密度函数为f(t)时,定义 为失效
7、率函数,2.3 失效率函数,24/106,由于 ,所以:,故障率与可靠度、故障密度函数的关系,2.3 失效率函数,25/106,2.3 失效率函数,26/106,平均故障前时间(MTTF),2.3 失效率函数,27/106,平均故障间隔时间(MTBF),2.3 失效率函数,28/106,某微型计算机的MTBF=10000小时,是否意味着该计算机每工作10000小时才出一次故障?,2.3 失效率函数,29/106,汽车可靠性技术,第八讲,主讲教师:杨志发学时:32,寿命特征,2.3 失效率函数,30/106,2.3 失效率函数,31/106,首翻期、翻修间隔期和使用寿命,(t),t,首次翻修期,
8、规定的故障率,A,B,(=1/MTBF),翻修间隔期,使用寿命,2.3 失效率函数,32/106,可靠性参数分类,可靠性参数分为基本可靠性参数和任务可靠性参数基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保障资源的需求。确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位和所有的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任务完成的故障(即致命性故障)。,2.3 失效率函数,33/106,2.3 失效率函数,可靠性参数的相关性,平均故障间隔时间(MTBF)与平均故障间隔飞行小时(MFHBF)任务成功概率与致命故障间的任务时间MTBF与故障率平均维修
9、间隔时间与MTBF平均拆卸间隔时间与MTBF,34/106,思考问题,失效率是概率值么?故障率有量纲么?故障率和失效率有什么关系?,2.3 失效率函数,35/106,分布状态描述频数直方图,1、概念:频数直方图是通过对随机收集的样本数据进行分组整理,并用图形描述总体分布状态 的一种常用工具 2、绘制程序 3、 频数直方图、频率直方图、频率密度直方图和频率密度曲线4、 频数直方图的应用,2.4 直方图,36/106,2、绘制程序,例 从一批螺栓中随机抽取100件测量其外径数据如下表所示,螺栓外径规格为 ,试绘出频数直方图。,单位:mm,2.4 直方图,37/106,绘制步骤,1)收集数据,并找出
10、数据中最大值xL和最小值xS数据个数应50,并将数据排成矩阵形式。本例数据个数n=100。最大值xL=7.938,最小值xS=7.913。2)计算极差 3)确定分组组数kk值的选择一般参考下表给出的经验数值确定本例选择k=10 4)确定组距h 5)计算各组的上、下边界值 6)计算各组的组中值xi 7)统计落入各组的数据个数,整理成频数表 8)作直方图,数据量与分组数对照表,2.4 直方图,38/106,4)确定组距h,组距即每个小组的宽度,或组与组之间的间隔 本例中为分组方便,常在h的计算值基础上将其修约为测量单位的整数倍,并作适当调整。 如本例测量单位为0.001,将h修约为0.003。,2
11、.4 直方图,39/106,5)计算各组的上、下边界值,为了不使数据漏掉,应尽可能使边界值最末一位为测量单位的1/2。当h为奇数时, 第一组边界值应为当h为偶数时,可以下式计算第一组边界值 第一组上边界值=xS 测量单位/2 第一组下边界值=上边界值+h 一直计算到最末一组将xL包括进去为止。本例h为奇数,故第一组上下边界值为 其余各组的上下边界值为: 某组上边界值=上组下边界值 某组下边界值=该组上边界值+h本例第二组上下边界值为7.91757.9145;第三组为7.91757.9205依次类推,最后 一组为7.9385,包括了最大值7.938(见频数表)。 ,7.9145,2.4 直方图,
12、40/106,6)计算各组的组中值xi,如本例,2.4 直方图,41/106,7)统计落入各组的数据个数,整理成频数表,2.4 直方图,42/106,8)作直方图,以频数为纵坐标,质量特性为横坐标画出坐标系,以一系列直方形画出各组频数,并在图中标出规格界限和数据简 历,组成频数直方图,规格要求,频数,7.937,4,3,15,17,23,18,16,2,25,20,15,10,5,0,2,7.934,7.931,7.928,7.925,7.922,7.919,7.916,7.9,7.913,7.95,n=100 96.5.796.5.15,3#件 S=0.00519,2号机床 X=7.9252
13、4,x,f,2.4 直方图,43/106,3、频数直方图、频率直方图、频率密度直方图和频率密度曲线,频数直方图 以样本数据表征的质量特性值为横坐标,以频数为纵坐标 作出的描述数据分布规律的图形。 频率直方图 将频数直方图的纵坐标改为频率做出的频率直方图,其形状与 频数直方图应完全一样 频率直方图 若将纵坐标改为频率密度,横坐标不变,直方图的形状也不变。 频率密度曲线 当样本数据的大小n,组距h0时,直方的数量将趋于;随机变量(即质量特征)在 某 区间h的频率密度将趋于概率密度;直方顶端联成的折线将形成一条光滑的曲线概率密 度曲线,1) 频数直方图、频率直方图、频率密度直方图和频率密度曲线图形演
14、变,2.4 直方图,44/106,2)区别与联系 频数直方图、频率直方图、频率密度直方图与概率密度曲线,虽然它们的坐标不同,描述 分布状态的方式有的是折线、有的是曲线,但其大致形状是相似的。概率密度曲线表明了总 体的分布状态;而频数直方图等是对总体分布状态的描述 3)正态分布及其频数直方图的特征实践和理论证明:当一个连 续型随机变量受到许多相互独立的随机因素的影响时,如果这许多因素的影响虽然有的大一 些,有的小一些,但每一个因素在影响的总和中都不起主导作用时,这个随机变量将服从正 态分布。 许多产品的计量质量指标,如强度、长度、寿命、测量误差等在生产条件稳定、正常的前 提下,均服从正态分布。因
15、此,测量这些指标得到的数据,其频数直方图的形状应具有正态 分布概率密度曲线的特征为中间高、两边低、左右大致对称的山峰型。,2.4 直方图,45/106,4、频数直方图的应用,1)观察工序状态 (1) 原理 大部分计量指标服从正态分布,即在稳定正常生产 状态下得到的数据,其频数 直方图的形状是“中间高、两边低、 左右对称的山峰型”,我们称这种形状的直方图为正常型直方图 。 当影响产品质量特性的因素中,有的因素在影响的总和中占据了主导地位,成为“异常 因素”时,质量特性的正态分布状态将被打破,频数直方图的形状将出现异常型。此时,现 场人员应根据直方图形状迅速分析判断异常原因,采取措施,使工序恢复正
16、常状态。,2.4 直方图,46/106, 孤岛型 在直方图旁边有孤立的小岛出现。其原因是在加工和测量过程中有异常情况出现。如原材 料的突然变化,刃具的严重磨损,测量仪器的系统偏差,不熟练工人的临时替班等。 偏向型 偏向型也称偏峰型。即直方的高峰偏向一边。这常常是由于某些加工习惯造成的。如加工 孔时,有意识地使孔的尺寸偏下限,其直方图的峰则偏左;当加工孔时,有意识 地使轴的尺寸偏上限,其直方图的峰则偏右。 双峰型 直方图出现了两个高峰。这往往是由于将不同加工者、不同机床、不同操作方法等加工 的产品混在一起造成的。因此,必须先对数据进行分层,再作频数直方图。 平顶型 平顶型即直方图的峰顶过宽过平。
17、这往往是由于生产过程中某种因素在缓慢的起作用造成 的。如刃具的磨损、操作者逐渐疲劳使质量特性数据的中心值缓慢的移动造成的。 折齿型 测量误差太大或分组组数不当都会使直方图出现凸凹不平的折齿形状。 陡壁型 直方图在某一侧出现了高山上陡壁的形状。这往往是在生产中通过检查,剔除了不合格品后 的数据作出的直方图形状。,2.4 直方图,(2)几种常见的异常型频数直方图,47/106,a.正常型,b.孤岛型,c.偏向型,d.双峰型,e.平顶型,g.陡壁型,f.折齿型,规格范围,2.4 直方图,48/106,汽车可靠性技术,第九讲,主讲教师:杨志发学时:32,2.4 直方图,2)与规格比较,明确改进方向 (
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