《可靠性设计》PPT课件
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可靠性设计
强度以及零部件尺寸等条件全部视为属于某一种概率
分布的统计量，并以通用的广义应力强度干涉模型作
为基本运算公式，然而运用机械零部件传统的设计计
算模型，获得给定可靠度下的零部件尺寸或是给定尺 寸下零部件的可靠度及其相应寿命。
2、稳健性设计法
这种设计方法主要是使产品的性能对制造期间在变异或是使用环 境的变异不过于敏感，并使产品在其全寿命周期以内不管参数、结构 等因素发生老化或是漂移都可以继续保持工作状态的一种设计方法。 基本原理是产品的质量可用性对用户造成的损失来衡量产品的设计可
按相对失效率分配：
使每个单元允许失效率正比于预计失效率。
分配步骤：
•获取各单元预计失效率；
•由单元预计失效率计算每一单元分配权系数 ； •计算出各单元的容许失效率。
六、机械工程可靠性设计方法
• 1、概率设计法
这是一种应用概率设计理论进行机械零部件及构
件设计的方法，它的基本原理是将原材料性能、荷载、
可靠性设计
孟瑞峰
可靠性设计
• 一、可靠性的概念及其发展 • 二、可靠性设计的主要内容 • 三、可靠性设计的常用指标 • 四、机械零件可靠性设计 • 五、系统的可靠度计算及分配 • 六、机械工程可靠性设计方法
一、可靠性设计的概念及发展 （一）可靠性的发展
初期
发展时期 成熟期 完善期
1、可靠性的提出
它包含了五个要素：
A.对象：零件
指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮），
也可指某一部件或机器（如发动机或减速器），
还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等），
甚至包括人的判断与人的操作因素在内。
B.规定的工作条件：
为了比较某系统或零件的可靠程度，必须将
第四章 可靠性设计方法
15
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
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 ）
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3
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
可靠性设计
8
可靠性设计内容
2. 版图可靠性设计： 版图可靠性设计：
– 针对主要的失效模式和失效机理进行设计； 针对主要的失效模式和失效机理进行设计； 失效模式 进行设计
• 如电迁移、闩锁效应、静电放电等。 如电迁移、闩锁效应、静电放电等。
9
10
11
PNP D/BJT的版图和结构 的版图和结构
12
互连线的寄生效应
16
对晶体管的寄生优化
• 尽量减小多晶硅导线的长度； 尽量减小多晶硅导线的长度； • 两边接栅可优化栅极串联寄生电阻； 两边接栅可优化栅极串联寄生电阻； 栅极串联寄生电阻 • 梳状折叠可同时优化栅极电阻和漏极寄生电容。 栅极电阻和漏极寄生电容 梳状折叠可同时优化栅极电阻和漏极寄生电容。
17
晶体管漏极寄生电容优化 晶体管漏极寄生电容优化 漏极
30
耐化学应力与生物应力设计 • “三防”设计： 三防” 三防 设计：
–防潮设计； 防潮设计 –防霉设计； 防霉设计 –防盐雾设计。 防盐雾设计
31
稳定性设计技术
• 线路稳定性设计； • 版图稳定性设计； • 工艺稳定性设计。
32
4
可靠性设计程序
6. 样品制造阶段的可靠性设计评审； 样品制造阶段的可靠性设计评审； 设计评审 7. 通过试验与失效分析来改进设计，并进 通过试验与失效分析来改进设计， 设计－试验－分析－改进”循环， 行“设计－试验－分析－改进”循环， 实现产品的可靠性增长， 实现产品的可靠性增长，直到达到预期 的可靠性指标； 的可靠性指标； 8. 最终可靠性设计评审； 最终可靠性设计评审； 设计评审 9. 设计定型。 设计定型。
• 串联寄生电阻，并联寄生电容。 串联寄生电阻，并联寄生电容。
可靠性设计内容
2. 版图可靠性设计： 版图可靠性设计：
– 针对主要的失效模式和失效机理进行设计； 针对主要的失效模式和失效机理进行设计； 失效模式 进行设计
• 如电迁移、闩锁效应、静电放电等。 如电迁移、闩锁效应、静电放电等。
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PNP D/BJT的版图和结构 的版图和结构
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互连线的寄生效应
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对晶体管的寄生优化
• 尽量减小多晶硅导线的长度； 尽量减小多晶硅导线的长度； • 两边接栅可优化栅极串联寄生电阻； 两边接栅可优化栅极串联寄生电阻； 栅极串联寄生电阻 • 梳状折叠可同时优化栅极电阻和漏极寄生电容。 栅极电阻和漏极寄生电容 梳状折叠可同时优化栅极电阻和漏极寄生电容。
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晶体管漏极寄生电容优化 晶体管漏极寄生电容优化 漏极
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耐化学应力与生物应力设计 • “三防”设计： 三防” 三防 设计：
–防潮设计； 防潮设计 –防霉设计； 防霉设计 –防盐雾设计。 防盐雾设计
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稳定性设计技术
• 线路稳定性设计； • 版图稳定性设计； • 工艺稳定性设计。
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可靠性设计程序
6. 样品制造阶段的可靠性设计评审； 样品制造阶段的可靠性设计评审； 设计评审 7. 通过试验与失效分析来改进设计，并进 通过试验与失效分析来改进设计， 设计－试验－分析－改进”循环， 行“设计－试验－分析－改进”循环， 实现产品的可靠性增长， 实现产品的可靠性增长，直到达到预期 的可靠性指标； 的可靠性指标； 8. 最终可靠性设计评审； 最终可靠性设计评审； 设计评审 9. 设计定型。 设计定型。
• 串联寄生电阻，并联寄生电容。 串联寄生电阻，并联寄生电容。
四. 汽车系统可靠性分析 可靠性设计课件
显然： Rs m i1~in{nRi} 即串联系统的可靠度总是不大于系统中任何一个单元的可靠度。
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：
s im 1~inn{i}
即串联系统的工作寿命总是等于系统中寿命最短的一个零件的寿命。
２、并联系统：系统中只要有一个零件正常，系统系便统分正析3 常，只有 在全部零件发生故障后，整个系统才不能工作。
图4—5后备系统逻辑图
相同条件下，各简单系统的可靠度大小顺序： 贮备系统>并联系统>n中取m表决系统>串联系统
6、复杂系统：在工程应用中，会遇到大量非串联、非并联的复杂系统， 如图所示的桥形网络是典型的复杂系统。
复杂系统可靠度的计算方法：条件概率法、割集与连集分析法、联络矩 阵法、布尔真值表法、卡诺图法、边值法。
在相同的条件下，串并联系统的可靠度大于并串联系统的可靠度。
例：
有三个单元组成的系统，单元的可靠度分别为：R1 ＝0.98, R2 ＝0.95, R3 ＝0.90,求系统的可靠度。
3
1
2
串并联系统
3
33子系统可靠度
2
Rs3(t)1 (1Ri(t)) i1
1(10.90)20.99
系统可靠度
R s(t)R 1(t)R 2(t)R s3(t)
最小割集：割集的最小子集合。根据最小割集中所包含的单元数，分为1阶 最小割集，2阶最小割集……等。
割集法原理：
找出系统中的每一个最小割集（最小割集中的每一个单元是并联的），将每 一个最小割集串联后，转化后的新系统与原系统等效，求该新系统的可靠度 即为原系统的可靠度。
系统最小割集的求取
可靠性设计课件
有限元法
3
有限元法
4
有限元法
5.有限元法最早以解决结构力学、弹性力学问题发展起来的，它的理论基础是 变分原理 。
6.
7．试列举有限元分析中常用单元类型（至少5种） •杆单元（梁单元）；平面单元；薄板（弯曲）单元 •多面体单元；等参数单元；轴对称单元
有限元法
8．有限元求解中，力学模型的简化需要注意哪些Hale Waihona Puke 题？5MPaZR
S 220 185 2.214
2
2 S
152 52
R (ZR ) 0.98655
可靠性设计
5.
6. 7.
可靠性设计
8.
可靠性设计
可靠性设计
9.
可靠性设计
10．常用的产品可靠性指标有哪些？ 平均寿命；寿命方差与标准差；可靠寿命、中位寿命与特征寿命；维修度；有效度。 11.若统计得到人的身高X～N(1650,602)mm，希望碰头的概率小于1%，试设计车门高度。
创新设计
10．设计的三个层面是什么? 答案： 设计哲学、设计理论与方法、应用 11．什么是正向参数？ 答案： 指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变好。
有限元法
1.试简述等参元有什么特点。
等参单元内任一点的位移与节点位移之间的关系恰好和该点的坐标 与节点坐标之间的关系相同。
2. 试阐述虚位移原理和最小势能原理，并说明二者的等价性。
•判别实际结构是属于哪一种问题 •注意实际结构的对称性 •对实际结构建模时可以去除一些不必要的细节 •简化后的力学模型必须是静定或超静定结构
9．有限元工程分析中，为减小解题规模而采取的“周期性条件”是何含义？ 机械上有许多旋转件，其结构形状和所受载荷呈现周期性变化的特点，利用
第四章可靠性设计4精品PPT课件
第四章可靠性设计
第四节 系统的可靠性预测和可靠度分配
所谓系统，是为完成某一功能而由若干零部件相互有机地 组合起来的综合体。因此，系统的可靠度取决于两个因素： 一是组成系统的零部件的可靠度；二是零部件的组合方式。 零部件的可靠度计算，在前两节已作了介绍，这里进一步研 究零部件以不同组合方式构成系统时，在已知零部件可靠度 的前提下，预测系统的可靠度。
注意，这里的“串联”不能与电路中阻容元件的串联概念 混为一谈。例如，图4-15的电路中，两电容器虽然是并联的， 但在可靠性分析中，却判为串联，因为无论电容器C1或C2， 只要有一个失效，都会使系统失效。因此，在可靠性框图中 表示为图4-14a所示之串联模型。
2007年4月 15日年3月
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
第四章可靠性设计
第四章可靠性设计
分别代表系统 和各零件的可靠度与失效概率，则系统的可靠度Rs即为上述 四种情况的概率之和，可表为
如果各零件的可靠度相同，则有:
当各零件的寿命均服从指数分布，且失效率λ为常数时，系 统的可靠度为
2007年4月 15日年3月
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
计第四章可靠性设计第四章可靠性设计第四章可靠 性设计第四章可靠性设计
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
计第四章可靠性设计第四章可靠性设计第四章可靠 性设计第四章可靠性设计
第四章可靠性设计
3．r/n表决系统
在n个零件组成的并联系统中，n个零件都参加工作，但 其中要有r个以上的零件正常工作(1<r<n)，系统才能正常工 作，这种系统称为r/n表决系统。显然，它是属于一种广义的 工作冗余系统。当r=1时，就是工作冗余系统；当r=n时，就 是串联系统。 以图4-17所示的2/3表决系统为例，介绍其可 靠度的计算方法。
第四节 系统的可靠性预测和可靠度分配
所谓系统，是为完成某一功能而由若干零部件相互有机地 组合起来的综合体。因此，系统的可靠度取决于两个因素： 一是组成系统的零部件的可靠度；二是零部件的组合方式。 零部件的可靠度计算，在前两节已作了介绍，这里进一步研 究零部件以不同组合方式构成系统时，在已知零部件可靠度 的前提下，预测系统的可靠度。
注意，这里的“串联”不能与电路中阻容元件的串联概念 混为一谈。例如，图4-15的电路中，两电容器虽然是并联的， 但在可靠性分析中，却判为串联，因为无论电容器C1或C2， 只要有一个失效，都会使系统失效。因此，在可靠性框图中 表示为图4-14a所示之串联模型。
2007年4月 15日年3月
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
第四章可靠性设计
第四章可靠性设计
分别代表系统 和各零件的可靠度与失效概率，则系统的可靠度Rs即为上述 四种情况的概率之和，可表为
如果各零件的可靠度相同，则有:
当各零件的寿命均服从指数分布，且失效率λ为常数时，系 统的可靠度为
2007年4月 15日年3月
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
计第四章可靠性设计第四章可靠性设计第四章可靠 性设计第四章可靠性设计
现代设计方法-第四章可靠性设计第四章可靠性设
计第四章可靠性设计第四章可靠性设计第四章可靠 性设计第四章可靠性设计
第四章可靠性设计
3．r/n表决系统
在n个零件组成的并联系统中，n个零件都参加工作，但 其中要有r个以上的零件正常工作(1<r<n)，系统才能正常工 作，这种系统称为r/n表决系统。显然，它是属于一种广义的 工作冗余系统。当r=1时，就是工作冗余系统；当r=n时，就 是串联系统。 以图4-17所示的2/3表决系统为例，介绍其可 靠度的计算方法。
机械可靠性设计应力强度干涉模型35页PPT
机械可靠性设计
6.1 概述
▪ 可靠性是指“机械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”，是衡量机械 产品质量的一个重要指标。
▪ 机械可靠性设计时将概率统计理论、失效物理 和机械学等相结合起来的综合性工程技术。
▪ 机械可靠性设计特点：设计变量看成随机变量 概率统计设计结构参数
▪ 一般机械产品的可靠性设计程序： 1)方案论证阶段 2)审批阶段 3)设计研制阶段 4)生产及实验阶段 5)使用阶段
(5 )7 4 0 .3/1 年 2 3 .1% 2 /年 ( 1 0 4 ) 0 1
或：
f (t) 1 dNQ(t) 1 74 3% N dt 10065
R(t) 1 NQ(t) 1 4 96%
N
100
f (t) 3% 3.12%
R(t) 96%
说明：N个产品t=0时开始工作，到时刻t失效 数为n(t)，t时刻的残存产品数为N-n(t),在 (t,t+∆t)时间区间内有∆n(t)个产品失效，则 时刻t的失效率为
N
R (t)1-Q (t)
▪ 故在开始使用t=0 产品为NQ(0)=0; R(0)=1; Q(0)=0
▪ NQ(∞)=N; R(∞)=0; Q(∞)=1 ▪ 故在[0, +∞]区间R(t)； Q(t) 100 %
Q (t)
▪ 对Q(t)求导得失效密度函数
f(t) d Q (t) 1d N Q (t) d R (t)
间内失效的概率。
(t)
(t)
ห้องสมุดไป่ตู้
t
时刻附近单位时间失效的产品数 t 时刻附近仍正常工作的产品数
1 dNQ (t) NR (t) dt
1 [ 1 dNQ (t)]
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由于可靠性 技术贯穿于产品 的设计、研制、 制造、装配、调 试、试验、使用、 运输、保管、维 修及保养等各个 环节，因此应该 大力推广建立在 概率统计理论基 础上的可靠性设 计方法。
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2.进行可靠性数据统计和分析
完善、准确的可靠性 基础数据库是可靠性设计 与评价的基础。
要进行机械产品的可 靠性设计, 就需要拥有机 械产品及其零部件的可靠 性基础数据库。但是在工 程实际中往往很难有足够 的资料来确定基本数据的 概率特征。如图所示, 如 果没有足够的实验数据或 数据积累, 可以根据工程 实际经验与学术理论推断 而获得数据。
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5.可靠性试验
通过可靠性试验可以发现产品的设计、零部件、原材料、安装 与工艺等方面的缺陷, 可以提供改善产品的完整性、提高任务完成 率、减少保障与维修费用的信息, 可以确认产品是否符合可靠性设 计的定量要求。
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6.可靠性增长
靠性增长过程是在可靠性数据处理、可靠性分析与可靠 性试验基础上, 通过反复分析与试验使产品的设计、制造和 操作缺陷不断暴露, 然后经过改进以消除产品的薄弱环节, 使 产品不断趋于完善, 从而使产品的可靠性和其他性能不断提 高的过程。
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论文的章节组成：
1 机械可靠性的概念及特点
2 可靠性技术在机械领域的应用 2.1 机械产品可靠性设计流程 2.2 机械产品制造过程的可靠性 2.3 机械产品可靠性管理流程综述 2.4 机械产品的可靠性技术的应用
3 可靠性技术在机械领域的发展
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1.明确机械产品可靠性设计的前提
论文题目：
可靠性技术在机械领域的应用和发展
所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完 成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。
机械的可靠性设计在机械设计中具有重要的作用，它对机械是否 能够稳定的工作起决定性的作用。本文主要介绍了机械可靠性设计的 特点，机械可靠性设计的流程，以及在机械可靠性设计中的常用的可 靠性分析方法和设计技术，最后结合最近的机械可靠性的发展，介绍 了机械可靠性设计的发展趋势，从而对可靠性技术在机械领域的应用 和发展有一个全面的、客观的认识。
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7.可靠性设计
可靠性设计工作的主要目的是尽早地估计或预测产品的预计 安全与失效状态，以便能及时地发现和排除机械设计的薄弱环 节。为了能够尽量放弃大规模的和耗费时间、人力、物力、财 力的可靠性试验，需要建立基于现有概率统计理论的可靠性计 算与设计方法。
工艺过程是一个复杂的动态系统,由于工艺过程牵涉面如此 之广, 要保证工艺过程可靠性是很难的。可靠性指标与工艺过程 的关系如图所示。
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3.确定机械产品的失效形式
机械产品的主要质量标志是功能、寿命、重量/容量比、经济、安全和 外观, 其中功能是首要的, 产品丧失规定的功能称为失效。
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4.对机械产品进行可靠性分析
可靠性分析是指综合运用概率论与数理统计学、材料和 结构学、故障物理学等科学知识, 研究和度量机械产品在规定 时间内和规定条件下完成规定功能的能力的整个过程。