可靠性设计原理
第四章机械可靠性设计原理与可靠度计算
安全系数法的基本思想：机械结构在承受外在负荷后，计 算得到的应力小于该结构材料的许用应力，即
S计算
≤
S许用
S计算
S极限 n
在传统设计中，只要安全系数大 于某一根据实际使用经验规定的 数值，就认为零件是安全的。
安全系数设计法弊病：
保守设计：会导致产品结构尺寸过大、重量过重、费用 增加，在使用空间和重量受到限制的地方，这种设计是难于 接受的。
2．应力-强度干涉模型求可靠度
由应力强度干涉理论可知，可靠度是“强度大于应力 的整个概率”，表示为
R(t)
P(
S)
P(
S
0)
P
S
1
如能满足该式，则可保证零件不会失效，否则将出现失
效。我们需要研究的是两个分布发生干涉的部分。
可靠性设计理论的基本任务：是在可靠性物理学研 究的基础上结合可靠性试验及可靠性数据的统计与 分析，提出可供实际设计计算用的物理数学模型和 方法，以便在产品设计阶段就能规定其可靠性指标， 或估计、预测机器及其主要零部件在规定的工作条 件下的工作能力状态或寿命，保证所设计的产品具 有所需要的可靠度。机械零件的可靠性设计是以应 力—强度干涉理论为基础的。
第4章 机械可靠性设计理论与 可靠度计算
安全系数法与可靠性设计方法
应力强度干涉理论及可靠度
机械零件的可靠度计算及设计
4.1安全系数法与可靠性设计方法
4.1.1 安全系数设计法
在机械结构的传统设计中，主要从满足产品使用要求 和保证机械性能要求出发进行产品设计。在满足这两方面 要求的同时，必须利用工程设计经验，使产品尽可能可靠， 这种设计不能回答所设计产品的可靠程度或发生故障概率
工程荷载与可靠度设计原理
工程荷载与可靠度设计原理1. 引言工程荷载与可靠度设计原理是工程设计中的重要内容，它涉及到工程结构的安全性和可靠性。
本文将从工程荷载和可靠度设计原理两个方面进行探讨，并介绍其在工程设计中的应用。
2. 工程荷载设计原理2.1 荷载类型工程荷载可以分为静载和动载两种类型。
静载是指固定在结构上的荷载，如自重、建筑物的永久荷载等；动载是指在结构上产生的变动荷载，如风荷载、地震荷载等。
2.2 荷载计算方法荷载计算是工程设计中的重要环节，它涉及到结构的稳定性和安全性。
常用的荷载计算方法有确定性设计方法和概率设计方法。
确定性设计方法是根据规范中给出的荷载数值进行计算，它适用于荷载具有确定性的情况。
概率设计方法则考虑了荷载的不确定性，通过概率统计的方法来确定荷载的设计值。
2.3 荷载标准荷载标准是指规范中对荷载进行规定的标准。
不同类型的工程有不同的荷载标准，如建筑物的荷载标准、桥梁的荷载标准等。
荷载标准的制定是为了保证工程结构的安全性和可靠性。
3. 可靠度设计原理3.1 可靠度概念可靠度是指工程结构在设计使用寿命内不发生失效的概率。
可靠度设计是为了保证工程结构在使用寿命内具有足够的可靠性。
3.2 可靠度设计方法可靠度设计方法主要有确定性设计方法和概率设计方法。
确定性设计方法是根据规范中给出的设计要求进行设计，它适用于可靠度要求较低的情况。
概率设计方法则考虑了结构的不确定性，通过概率统计的方法来确定结构的可靠度。
3.3 可靠度评估可靠度评估是对工程结构进行可靠度分析和评估，以确定其可靠性是否满足设计要求。
常用的可靠度评估方法有静态可靠度分析、动态可靠度分析等。
4. 工程荷载与可靠度设计的应用4.1 建筑结构设计在建筑结构设计中，工程荷载与可靠度设计是不可或缺的环节。
通过合理计算荷载和确定可靠度要求，可以保证建筑物的结构安全可靠。
4.2 桥梁设计桥梁是工程结构中的重要组成部分，其设计需要考虑荷载和可靠度。
合理计算桥梁荷载和进行可靠度评估，可以确保桥梁的安全性和使用寿命。
第六章-机械可靠性设计原理
S
同样分析方法：
按应力始终小于强度这一条件计算。干涉区内任取
一点δ1，则：
P[(1
d
2
)
(1
d
2
)]
g(1)d
P(S 1)
1 f (S )dS
R P(S ) g( )[ f (S)dS]d
■理论要点:
可靠性设计
• 应力:导致失效的任何因素; 强度:阻止失效发生的任何因素。
• 应力f(s),强度g(δ), 量纲相同，可放在同一坐标系中。
解： 当零件强度标准差为81MPa时
z S 850 380 470 5.1512
2
2 S
422 812 91.2414
R 1(z) 1(5.1512) (5.1512) 0.9999999
当零件强度标准差为120MPa时
可靠性设计
z S 850 380 470 3.6968
2
1
z2
e 2 dz
2
例6－1 已知某零件的工作应力及材料强度均为正态分
布，且应力的均值μS=380MPa,标准差σS=42MPa,材料 强度的均值为850MPa，标准差为81MPa。
可靠性设计
试确定零件的可靠度。另一批零件由于热处理不佳及 环境温度的较大变化，使零件强度的标准差增大至 120MPa。问其可靠度如何？
R
exp
1 2
2s
2 s 2
5
指数
es
正态
N , 2
R 1 exp
1 2
2 s
s2 2
6
指数
es
,
R
1
s
可靠性设计
第三节 机械静强度的可靠性设计
工程结构荷载与可靠度设计原理
工程结构荷载与可靠度设计原理工程结构荷载设计原理是指根据工程所受到的外部荷载及其影响，在设计中合理确定各种荷载的作用方式、计算方法和作用大小，以确保结构的安全可靠性。
在荷载设计原理中，结构荷载主要包括恒载、活载和自重荷载。
恒载是指结构在使用过程中持续存在的荷载，如自重、固定设备和常设荷载等。
活载是指结构所受到的可变荷载，如人员、设备、风荷载和流体荷载等。
自重荷载是指结构自身的重量所引起的荷载。
恒载的设计原理是根据结构本身的质量和统计数据确定荷载的大小。
常见的恒载有自重、固定设备质量、楼板养护荷载等。
活载的设计原理是根据实际使用情况及相关规范给出的活载标准确定荷载的大小。
常见的活载有人员荷载、设备荷载、风荷载和流体荷载等。
自重荷载的设计原理是根据结构的材料和形状确定其自身的重量，并将其作为荷载计算时考虑。
在可靠度设计原理中，考虑工程结构荷载的可靠度是确保结构安全可靠的重要步骤。
可靠度设计原理主要包括可靠度指标的选择、荷载概率分布的确定和可靠度分析方法的应用。
可靠度指标是衡量结构安全可靠性的一个重要指标，常用的指标有可靠系数、可靠指标和可靠指数等。
荷载概率分布是指荷载的大小在一定区间内发生的概率分布情况，常用的分布有正态分布和广义极值分布等。
可靠度分析方法是根据荷载概率分布和结构响应的关系，通过数学模型和统计方法计算结构的可靠度。
常用的可靠度分析方法有可靠指数法、蒙特卡洛模拟法和极限状态法等。
综上所述，工程结构荷载与可靠度设计原理是确保结构安全可靠性的基础。
在设计中，通过合理确定荷载的作用方式、计算方法和作用大小，以及考虑荷载的可靠度指标和概率分布，可以保证结构在荷载作用下具有足够的安全可靠性。
第4章 可靠性设计原理与可靠度计算
解：假设此拉杆可能的失效模式为拉断，根据材料力学的应力计算公式 s=P/r2 和概率论中随机变量函数的分布参数的算法（具体方法见后面章节），其横截面 的正应力
s( s， s ) 的均值和标准差可分别计算出来
s P r2
s
1
2 A
2 P
2 A
2 A
1 2 2 P
设计变量的属性及其运算方法不同－可靠性设计中涉及的变量大多是随机变量， 涉及大量的概率统计运算。 安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与相关参量 的均值有关，也与其分散性有关。可靠性指标能更客观地表征安全程度。 安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意义上，系 统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的可靠度是由所有零 件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度（安全系数）是由强度最小的 零件（串联系统）或强度最大的零件（并联系统）决定的。 提高安全程度的措施不同－可靠性设计方法不仅关注应力与强度这两个基本参 量的均值，同时也关注这两个随机变量的分散性。可以通过减少材料/结构性 能的分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力面积 来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设计多采用冗余 结构保证系统安全。
可靠度与设计安全性
由可靠度的定义可知，可靠度为安全系数大于1的概率。
可靠性设计中，将安全指标与可靠度相联系，可以充分 利用材料、结构、载荷等方面的特征信息，采用严谨的 理论方法，有根据地减少尺寸、重量，容易实现设计优 化，便于系统可靠性预测。
可靠性设计中的载荷概念
载荷分布是可靠性设计的重要参数之一，在某种意义上也可以说是最重要的参数。 载荷分布对于产品可靠度的意义，可以是一次性作用的载荷以不同值出现的概率，也可以是多次作 用的载荷的统计规律。也就是说，对于一次性使用的产品，例如一次性使用的导弹发射架、一次性 消防器材保险装置等，载荷分布表达的是这个一次性出现的载荷的概率特征；对于长期使用的产品， 例如汽车、桥梁等，载荷分布一般应该是载荷历程的统计规律。
第二章-结构可靠性的基本概念和原理
若结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规
定限值，则认为其达到正常使用极限状态。如：影响正常
使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏。
(3)整体性极限状态(抗连续破坏极限状态)
结构由于局部损坏而达到其余部分将发生连续破坏(或
连续20倒21/塌4/)9状态限值。
5
2.2 可靠度基本概念
第二章：结构可靠性的基本概念和原理
2.2 可靠度基本概念
2.2.1 极限状态
1、工程结构的功能函数
无论是房屋、桥梁、隧道等工程结构设计时，应使其在
使用期内，力求在经济合理前提下满足下列各项要求：
(1)能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用
(包括荷载及外加变形或约束变形)—结构的安全性；
(2)在正常使用时具有良好的性能—结构的适用性；
N(S,S )
对R，S作标准化变
换
Sˆ
Rˆ
S S S
R R
R
显然, Sˆ , Rˆ 均服从 N (0 ,1分) 布.
Z R ˆR R (S ˆSS ) 0
c
o
s
S
用
2 R
2除上式得
S
S ˆcosSR ˆcosˆR0
c
o
s
R
S
2 R
2 S
R
2 R
2 S
2021/4/9
14
由解析几何知，在标准正态化坐标系SˆOˆ Rˆ 中，上式为极 限状态直线的标准法线式方程。 为原点 O ˆ 到极限状态 直线的法线距离 Oˆ p (见图2-4)。cosS,cosR为法线对各 坐标向量的方向余弦。 的几何意义为标准正态坐标 系中原点 O ˆ 到极限状态直线的最短距离。对结构极限 状态方程为若干相互独立、正态变量构成非线性方程 情况，同样可证明 的合理近似取值为标准正态坐标 系中原点 O ˆ 到极限状态曲面的最短距离。
工程荷载与可靠度设计原理
工程荷载与可靠度设计原理
工程荷载是指在工程建设过程中，作用在结构物上的各种力、力矩和反力。
在工程设计中，合理地确定工程荷载是确保工程结构安全可靠的重要因素。
可靠度设计则是指在进行工程设计时，考虑到各种可能出现的不确定因素，通过一定的数学方法和技术手段，使工程结构的可靠度达到规定的要求。
在工程设计中，确定工程荷载的过程是十分复杂的。
因为在实际工程中，荷载的大小和作用的方式往往是不确定的，而且还受到环境、材料和施工等多种因素的影响。
因此，在确定工程荷载时，需要考虑到可能的不确定因素和风险，以及可能的荷载变化情况。
在此基础上，通过一定的计算方法和技术手段，确定工程结构所需的荷载，以保证工程结构的安全可靠性。
而可靠度设计则是指在进行工程设计时，考虑到各种不确定因素和风险因素，以及工程结构的可靠度要求，确定工程设计方案。
在可靠度设计中，需要进行可靠度分析，以评估工程结构的可靠度。
可靠度分析通常采用概率统计方法，通过对各种因素和风险的计算和分析，确定工程结构的可靠度，并进行相应的设计调整和优化。
总之，工程荷载和可靠度设计是工程设计中不可或缺的两个方面，它们的确定和分析对于工程结构的安全可靠性至关重要。
通过合理地确定工程荷载和进行可靠度设计，可以有效地提高工程结构的安全性和可靠性，确保工程的长期稳定运行。
机械可靠性设计的基本原理(精品课件)
第1章 可靠性设计概论 第2章 机械可靠性设计概述 第3章 机械可靠性设计基本原理 第4章 系统可靠性设计 第5章 机械零部件可靠性设计 第6章 可靠性优化设计与可靠性提高
第3章 机械可靠性设计的 基本原理
3.1 机械可靠性设计思想的转变 3.2安全系数设计法 与可靠性设计方法 3.3 应力—强度干涉模型 3.4机械零件的可靠度计算
f (s)
g(r)
g(r)
AB
强度衰减曲线
f (s)
g(r)
n
Y轴
f (s)
t0
ts
t/h
应力—强度随时间变化曲线
第3章 机械可靠性设计的 基本原理
3.3 应力—强度干涉模型
机械零部件设计的基本目标是,在一定的 可靠度下保证其危险断面上的最小强度(抗 力)不低于最大的应力,否则,零件将由于未 满足可靠度要求而导致失效.这里应力和强 度都不是一个确定的值,而是由若干随机变 量组成的多元随机函数(随机变量),它们都 具有一定的分布规律。
第4章 系统可靠性设计
4.1 系统可靠性设计概述 4.2 可靠性预测 4.3 可靠性分配 4.4 故障树分析
3.1 机械可靠性设计思想的转变
传统设计与可靠性设计的比较——不同点
不同点
传统设计法
可靠性设计法
设计变量 处理方法不同
应力、强度、 安全系数、载荷、 几何尺寸等均为单 值变量
应力、强度、安全系数、载 荷、几何尺寸等均为随机变量，且 呈一定分布
设计变量 运算方法 不同
代数运算，单值变量， 随机变量的组合运算，为多值变量，
应力--强度干涉模型
这种应力与强度的分布情况,严格地说都或多 或少地与时间因素有关, 应力s、强度r的分布与时间 的关系.当时间t=0时,两个分布有一定的距离,不会 产生失效, 但随着时间的推移,由于环境,使用条件等 因素的影响,材料强度退化,导致在t=t2时应力分布与 强度分布发生干涉，这时将可能产生失效.通常把这 种干涉称为应力——强度干涉模型。此时，零件的 不可靠度（失效概率）与可靠度（安全概率）可分 别表示为:
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可靠性设计原理
当我们设计一个可靠性系统时，有一些原则可以帮助我们确保系统的稳定和可靠。
以下是一些常见的可靠性设计原理：
1.冗余性设计原理：
冗余性是指在系统中增加冗余的组件或资源，以便在某个组件或资源发生故障时能够继续保持系统的功能。
例如，可以在网络中添加备用的服务器或路由器，以便在主服务器或路由器故障时能够确保网络的连通性。
2.容错性设计原理：
容错性是指系统在遇到故障时能够继续正常运行或快速恢复的能力。
容错性设计原则包括错误检测和纠正机制，如使用校验码来检测和纠正数据传输过程中的错误。
3.可恢复性设计原理：
可恢复性是指在系统发生故障后能够快速恢复正常运行的能力。
一个常见的设计原则是使用备份和恢复机制，如定期备份数据，并能够在需要时迅速恢复。
4.可靠性测试设计原则：
可靠性测试是为了验证系统在正常和异常条件下的稳定性和可靠性。
在设计过程中，应该考虑如何设计测试用例和测试环境，以确保能够全面评估系统的可靠性。
5.安全性设计原则：
安全性是指系统能够保护用户数据和系统资源免受非法访问和
攻击的能力。
在设计过程中，应该考虑如何设计安全机制和防御措施，以确保系统的稳定性和可靠性。
以上是一些常见的可靠性设计原则，通过遵循这些原则，我们可以设计出更加稳定可靠的系统。