第四章机械可靠性设计
机械可靠性设计课程设计
机械可靠性设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解并掌握机械可靠性设计的基本概念、原理和方法；2. 使学生了解机械系统失效的类型及其影响因素，能够运用可靠性理论分析机械故障；3. 引导学生掌握可靠性数学模型，并能运用相关软件进行机械可靠性分析与设计。
技能目标：1. 培养学生运用可靠性理论解决实际工程问题的能力；2. 提高学生运用计算机软件进行机械可靠性分析与设计的能力；3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生热爱机械工程，关注机械可靠性设计领域的发展；2. 增强学生的工程意识，培养其严谨的科学态度和良好的职业道德；3. 引导学生认识到机械可靠性设计在工程领域的重要性和价值，提高其社会责任感。
本课程针对高年级本科或研究生阶段的学生，充分考虑学生的知识背景、认知能力和实践需求。
通过本课程的学习，使学生能够将理论知识与实际工程相结合，提高解决实际问题的能力，为今后从事机械设计与制造领域的工作打下坚实基础。
同时，注重培养学生的团队协作、沟通表达等综合素质，使其成为具有创新精神和实践能力的高素质工程技术人才。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 机械可靠性设计基本概念：介绍可靠性、失效、故障等基本概念，分析可靠性指标及其计算方法。
2. 机械系统失效类型及影响因素：阐述机械系统失效的类型，探讨应力、应变、温度、湿度等影响因素。
3. 可靠性数学模型：讲解可靠性数学模型的基本原理，包括概率论、数理统计、随机过程等。
4. 可靠性分析与设计方法：介绍常见的可靠性分析方法，如故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟等，以及可靠性设计方法。
5. 计算机软件应用：教授常用可靠性分析与设计软件的操作方法，如MATLAB、ANSYS等。
6. 实践案例：分析典型机械可靠性设计案例，使学生了解实际工程中的应用。
教学内容依据以下教材章节组织：1. 《机械可靠性设计》第一章：基本概念与方法；2. 《机械可靠性设计》第二章：失效类型及影响因素；3. 《机械可靠性设计》第三章：可靠性数学模型；4. 《机械可靠性设计》第四章：可靠性分析与设计方法；5. 《机械可靠性设计》第五章：计算机软件应用；6. 《机械可靠性设计》附录：实践案例。
机械可靠性设计技术
在可靠性技术迅速发展的今天，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多产品打出“零失效”的王牌。
产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。
机械可靠性设计是近期发展起来并得到推广应用的一门现代设计理论和方法，以提高产品可靠性为目的、以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、机械工程学、人/机工程学、系统工程学、运筹学等多方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。
为了提高广大企业从业人员机械可靠性设计水平，中国电子标准协会应会员单位要求，决定组织召开“机械可靠性设计技术高级研修班”。
现将相关事宜通知如下：课程特点：本课程针对机械动力学系统的设计，涵盖了材料的选择、力学的计算、表面处理和热处理工艺的选择、失效的分析、振动噪声的消除与预防、动力学测试与分析等方面内容。
提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。
第一章机械可靠性设计基本依据1.1干涉模型 1.2大数定律与中心极限定理 1.3基本载荷形式1.4综合作用类型 1.5主要失效模式 1.6系统功能关系第二章基于载荷环境的材料工艺准则2.1广义载荷 2.2环境类形 2.3材料类型2.4毛坯工艺 2.5加工准则第三章结构可靠性技术准则3.1优化设计 3.2余度设计 3.3防错设计3.4环境适应性设计 3.5维修性设计第四章机械可靠性设计数学模型4.1应力强度干涉模型 4.2静载荷作用的可靠性设计 4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计4.4压力容器的可靠性设计 4.5交变温度作用的热负荷可靠性 4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性第五章机械可靠性设计准则5.1基于材力三大假设的静载设计 5.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计5.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制 5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限5.5基于交变温度作用的热疲劳特性 5.6构件防腐蚀和耐磨损设计第六章机械可靠性应用6.1冲击载荷与霍普金圣效应 6.2 各态遍历的随机振动 6.3随机振动试验准则6.4冲击载荷作用的设计准则 6.5结构柔性与变形协调设计 6.6压力容器与动载作用设计6.7振动环境作用的可靠性准则 6.8复合载荷环境材料匹配 6.9载荷环境毛坯匹配准则6.10减振器与结构阻尼准则 6.11润滑与降噪准则 6.12表面技术与润滑匹配6.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则 6.14铸件减震设计准则6.15锻件、焊接件抗冲击设计准则第七章受热结构影响因素7.1总体热惯性与最高温度 7.2比热容与高温持续时间 7.3表面辐射系数7.4热阻与热循环特性 7.5隔热设计准则 7.6耐热限制 7.7主动冷却技术第八章机械可靠性工程实施8.1可靠性预计和分配 8.2可靠性设计 8.3可靠性试验- 8.4可靠性管理第九章典型结构可靠性分析与设计9.1弹簧疲劳与老化机理 9.2弹簧抗疲劳设计 9.3橡胶耐磨性分析9.4小子样产品可靠性评价 9.5名义应力-应变与局部应力-应变 9.6结构变形与失稳分析9.7产品安全系数与可靠性参数 9.8机械结构典型寿命分布 9.9旋转件动平衡问题分析9.10 齿轮耐磨性影响分析 9.11受力构件零件的应力松弛分析师资介绍：申博士：机械可靠性技术专家，研究员，专业研究方向为机械装备可靠性与失效控制，长期从事机械可靠性与环境工程研究，曾任国防军工单位高级技术职务，在疲劳、断裂、残骸分析、失效物理和动力学测试技术方面有深厚的功底，提出了变形疲劳、气动激励载荷与振动环境精确预示方法、复杂部件可靠性设计技术、紧固件环境适应性设计、高速运动件动态参数测试技术等新技术，并有光弹、电测、扫描电镜分析和模态的丰富试验经验机械可靠性设计技术培训【时间地点】 2012年12月21-22日深圳【参加对象】从事动力学机构设计的机械工程师、系统工程师、测试工程师、可靠性工程师、技术经理、总工等【费用】 3200元/人（包括资料费、午餐及上下午茶点等）【课程热线】4OO-O33-4O33（森涛培训，提前报名可享受更多优惠）【内训服务】本课程可根据客户需求提供内训服务，欢迎来电咨询。
机械可靠性设计-suppt课件
显然有： (t)d(F (t)) d(1 R (t))d R (t)
(1 F (t))d t R (t)d t R (t)d t
f(t)d(1R(t))d(R t)
dt
dt
(t) d(F(t)) f(t)
(1F(t))dt R(t)
R(t) e0t(t)dt
注意(t)与f(t)的区别！
机械可靠性设计基础
近年国家中长期发展规划及高新技术研究发展技术中将可靠性技术列入， 今后将得到不断地重视和加强。
机械可靠性设计概述
机械可靠性发展历程
二、常规设计与可靠性设计
机械可靠性设计概述
概述5
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：
f(F,l,E,...)[]lim S
计算中，F、l、E、μ、lim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则
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：由设计制造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；
五、可靠性工作的特点
机械可靠性设计概述
概述8
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；
产品的寿命T大于t。
若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间t后有n(t)件产品 失效，则产品的可靠度为：
R(t)Nn(t)1n(t) 失效概率为：F(t)1R(t)n(t)
N
N
N
❖ 失效概率密度(失效密度)
机械可靠性设计基础
基础3
若定义：
f (t) n(t) Nt
第四章 可靠性设计方法
4.1.4 机械可靠性设计方法
4.1.5 软件可靠性
软件可靠性的定义是：软件按规定的条件， 规定的时间内运 软件可靠性的定义是：软件按规定的条件，在规定的时间内运 按规定的条件 行而不发生故障的能力 按规定的条件主要是指软件的运行（使用）环境， 按规定的条件主要是指软件的运行（使用）环境，它涉及软件运 主要是指软件的运行 行所需要的一切支持系统及有关的因素。如支持硬件、 行所需要的一切支持系统及有关的因素。如支持硬件、操作系统 及其他支持软件、输入数据的规定格式和范围、 及其他支持软件、输入数据的规定格式和范围、操作规程等 软件的寿命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。早期 软件的寿命周期中，也有早期故障期和偶然故障期。 故障率也高于偶然故障期的故障率 表 软件开发周期各阶段错误的百分数 软件开发周 期各阶段 错误百分数 （%） ） 需求 分析 55 设 计 17 编码与 单元试验 13 综合与 试验 10 运行与 维护 5
4.1.3Leabharlann 通用的可靠性设计分析方法◆明确可靠性要求 定性要求: 用一种非量化的形式来设计、 定性要求 用一种非量化的形式来设计、分析以评估和保证产品 的可靠性 定量要求: 规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 定量要求 规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 即：选择和确定产品的故障定义和判据、可靠性指标以及验证时 选择和确定产品的故障定义和判据、 机和验证方法， 机和验证方法，以便在研制过程中用量化的方法来评价和控制产 品的可靠性水平 确定可靠性指标主要考虑下列因素： 确定可靠性指标主要考虑下列因素： 1）国内外同类产品的可靠性水平 ） 2）用户的要求或合同的规定 ） 3）本企业同类产品的可靠性水平 ） 4）进度和经费的考虑与权衡 ）
8
3
机械可靠性设计系统可靠性设计
• 1 表决系统（工作储备系统）
55
1）2/3表决系统
56
57
58
例4-4
有一架装有3台发动机的飞机，它至少需要 2台发动机正常才能飞行，设飞机发动机的平 均无故障工作时间MTBF=2000h，试估计工作 时间为10h和100h的飞机可靠度。 解：n=3,k=2
RS (t) 3R 2 2R 3 3e 2t 2e 3t
73
1）冷储备系统 （1）两个单元（一个单元备用）的系统
74
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（2）n个单元（n-1个单元备用）的系统
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（3）多个单元工作的系统
Ri e t
RS(t )
e
Lt
1
Lt
(Lt )2 2!
(Lt )3 3!
(Lt )n n!
78
（4）考虑检测器和开关可靠性的系统
Rs(t ) e 1t
84
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2 全概率公式法（分解法）
90
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3 检出支路法（路径枚举法）
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4.3 系统可靠性预计
1 可靠性预计的目的
可靠性预计是指产品的设计与研制阶段，根据产品的功能 结构、工作环境以及组成产品单元的相互关系和可靠性数据， 推测产品可能达到的可靠性指标。可靠性预计是一个由局部 到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。
52
• Rs1=R1R2R3 Rs2=R4R5 Rs3=1-(1-Rs1)(1Rs2) Rs4=1-(1-R6)(1R7) Rs=Rs3Rs4R8
53
• 储备模型 当采用串联模型的设计不能满足设计指标要求时，
第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算讲解
机械可靠性设计实质:
(1) 就在于揭示载荷(应力)及零部件的分布规律 (2) 合理地建立应力与强度之间的力学模型,严格 控制失效概率,以满足可靠性设计要求。
4.2.1 应力强度干涉理论
应力S及强度δ本身是某些变量的函数，即
s f s1 , s2, , sn
表4-1 蒙特卡洛 模拟法可 靠度计算 的流程
4.3 机械零件的可靠度计算
4.3.1 应力强度都为正态分布时的可靠度计算
应力S和强度δ均呈正态分布时，其概率密度函数：
2 1 1 S S f (S ) exp (∞ < S < ∞) 2 S S 2
机械可靠性设计与安全系数法:
1) 相同点
都是关于作用在研究对象上的破坏作用与抵抗这种破坏 作用的能力之间的关系。 破坏作用：统称为“应力”。 抵抗破坏作用的能力：统称为“强度
“应力”表示为
S f s1, s2, , sn
其中，
表示影响失效的各种因素。 s1 , s2, , sn
如力的大 小、作用位置、应力的大小和位置、环境因
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 是多少。 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
机械零件的可靠性设计
R2 1
X XS
2
2 S
1
350 310 302 102
1 (1.26) 1 0.1038 0.8962
28
（3）“R3σ”可靠性含义下的安全系数：
50000 30000
1.67
R1 1(ZR ) 1
S
2＋
2 S
1
50000 30000 10002 30002
1.000
R2 1
S
2＋
2 S
1
50000 30000 120002 30002
0.947
27
例2 某汽车零件，其强度和应力均服从正态分布，强度的均
17
例题1
当强度的标准差增大到120MPa时，
z s 850 380 470 3.6968
2
2 S
422 1202 127.1377
查标准正态分布值，得R=0.999 89.
18
2、概率密度函数联合积分法（一般情况）
g()
f (s)
应力s0处于ds区间内的概率为
f (s0 )
f ( )
f (s)
1 2
y
0 exp[
(
y
y
2
2 y
)2
]dy
y S
y＝－S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y0
30
40
S
50
y＝
2
2 S
不可靠度为： F P ( y 0)
1
2 y
0
exp[
(
y
y
机械可靠性设计
介绍机械可靠性的设计方法结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。
结构可靠性主要考虑机械结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。
机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。
所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。
所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。
机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。
可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。
机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法有：1.预防故障设计机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。
例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。
2.简化设计在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。
但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。
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第四章机械可靠性设计
但是，在零件工作过程中，随着时间的推移和环境等因素的变 化以及材料强度的老化等原因，将可能导致应力分布和强度分 布的尾部发生干涉。即有可能出现应力大于强度的工作条件， 此时零件将发生失效。
传统的按安全系数方法第进四章行机械机可械靠性零设计件的设计是不合理的。
❖ 后来在设计、制造和检查中考虑了可靠性，结果大大减 少了故障。这样，“可靠第四性章机”械设可靠计性设的计问题就提出来了。
可靠性问题日益受到重视的原因：
1）由于市场竞争激烈，产品更新快，许多新元件、新材料、新 工艺等未及成熟试验就被采用，因而造成故障。
2）随着产品或系统日益向大容量、高性能参数发展，尤其是机 电一体化技术的发展，使整机或系统变得复杂，零、部件的数 量大增，致使其发生故障的机会增多，往往由于一个小零件、 小装置的失效而酿成大事故。
四、机械可靠性设计的内容
可靠性学科的内容包括：
1) 可靠性理论基础——如可靠性数学，可靠性物理 2)可靠性应用技术——如失效分析，零件、机器和系统的可靠性
设计和预测，可靠性评价和验证，可靠性规范等。
可靠性设计的内容：可靠性预测、可靠性分配。
可靠性预测是从所得的失效数据预报一个零、部件或系统 实际可能达到的可靠度，预报这些零、部件或系统 在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能 的概率。
指数分布的均值 方差
第四章机械可靠性设计
2．正态分布
•产品的性能参数，如零件的应力和强度等多数是正态分布 •部件的寿命也多是正态分布 正态分布的概率密度函数
第四章机械可靠性设计
第四章机械可靠性设计
3．韦布尔分布
零件的疲劳寿命和强度等都可以用韦布尔分布来描述。
第四章 机械可靠性设计
4.1 关于机械可靠性设计的几个问题 4.2 可靠性的概念和指标 4.3 可靠性设计方法举例 4.4 系统的可靠性设计 4.5 可靠性设计方法举例 4.6 系统的可靠性设计
第四章机械可靠性设计
4.1 关于机械可靠性设计的几个问题
一、为什么要研究可靠性的问题
可靠性问题的提出： ❖ 可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。 ❖当时美国在远东军事基地有60％的军用飞机电子装置处于 故障状态，检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的 真空管却是完全符合出厂指标的，虽然多次检查仍找不出原 因。 ❖ 后来就做出一种推断：关于真空管的制造技术，有超出以 往制造技术和检查能力以外的某种特性，当它被掌握和发现 以后，是可以防止故障的。这种特性就是“可靠性”。
失效率曲线的三个区域反映了零件的三种故 第四章机械可靠性设计
障模式，它们均具有一定的概率分布特性。
在机械可靠性研究中常用的几种概率分布
1．指数分布 当失效率为常数，即λ(t)= λ时，可靠度
失效概率密度函数
大量实际工作表明：处于稳定工作状态的机械、电子或机电 系统的故障率基本上是常数。
正常使用期内由于偶然原因而发生的失效就常用指数分布来描述。
第四章机械可靠性设计
三、为什么会出现可靠性的问题
撇开管理方面的因素不谈，仅就技术理论方面而言：
传统的机械零件设计方法是以计算安全系数为主要内容的。 安全系数法对问题的提法是：零件的安全系数（等于零件的强
度除以零件的应力；即n=F/S)是多大?
在计算安全系数时，零件材料的强度F和零件所承受的应力
S都是取单值的。
零件失效的概率或零件的故障概率Q(t)定义为：
第四章机械可靠性设计
常用故障频 数直方图来 反映某类零 件发生故障 的概率。
横坐标取为某类零件的寿命间隔； 纵坐标表示某类零件在各寿命间隔内发生故障的个 数（或频次）。
第四章机械可靠性设计
故障概率密度函数f(t)
第四章机械可靠性设计
第四章机械可靠性设计
第四章机械可靠性设计
4.2 可靠性的概念和指标
可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。
可靠性尺度
1)可靠度(Reliability)；
有了尺度，则在设
2)失效率或故障率(FailureRate)； 计和生产时就可用
3)平均寿命(MeanLife)；
数学方法来计算和
4)有效寿命(UsefulLife)；
3）为了维护用户的利益，在一些工业国家中实行产品责任索赔办 法。
4）产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会
效益。
第四章机械可靠性设计
二、我国机电产品可靠性现状
建国以来，我国机电产品发展迅速，取得了很大成绩。 但与国外相比，我国机电产品的可靠性普遍较低。 可靠性问题加剧了我国机电产品出口出不去，进口挡不住的局面。
机械可靠性设计方法认为：零件的应力、强度以及其他的设计
参数，如载荷、几何尺寸和物理量等都是多值的，即呈分布状态。
第四章机械可靠性设计
假设强度分 布和应力分 布都是正态 分布。
•零件是否安全，不仅取决于平均安全系数的大小， 还取决于强度分布和应力分布的离散程度。
•对于同样大小的强度平均值μF和应力平均值μs，
二、三种失效率——失效模式
产品的失效(或故障)有其规律。 ※ 大量的研究表明，机电产品零件的典型失效率曲线，明显可 划分为三个区域：早期失效区域、正常工作区域和功能失效区域。
1）早期失效区域的失效率较 高，故障率由较高的值迅速下 降。一般属于试车的跑合期。 2）正常工作区域出现的失效 具有随机性，故障率变化不太 大，有的微微下降或上升。可 以称为使用寿命期或偶然故障 期。在此区域内，故障率较低。 3）功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下，零件表现为 耗损、疲劳或老化所致的失效。
预测，也可以用试
5)维修度(Maintainability)； 6)有效度(Availability)；
验方法来评定产品 或系统的可靠性。
7)重要度(Importance)。
第四章机械可靠性设计
一、可靠度和失效率 可靠度: 零、部件在规定的寿命期限内，在规定的使用条 件下，无故障地进行工作的概率。 在规定的使用条件下，可靠度是时间的函数，用R(t)表示。 对总数为N个零件进行试验，经过t时间后，有NQ(t)件失效， NR(t)件仍正常工作，那么该类零件的可靠度R(t)定义为：